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Sicherheitsvorrichtung Die Erfindung betrifft eine Sicherheitsvorrichtung,
bestehend aus einem verformbaren, gegebenenfalls Änschlußelemente aufweisenden Hohlkörper,
mit deren Hilfe, insbesondere bei Zusammenstößen von Fahrzeugen, kinetische Energie-
ohne nachteilige Folgen für die Fahrzeuginsassen in Formänderungsarbeit umgewandelt
werden kann.
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Um die Folgen von Kollisionen für die Fahrzenginsassen möglichst abzumildern,
ist es bekannt geworden, an den Bahrzeugen Stoßstangen mit Stoßdämpfern anzubringen
und die Fahrgäste
mit Gurten zu sichern. Nachteile können Jedoch
durch die elastischen Eigenschaften dieser Vorrichtungen, nämlich durch den Federungseffekt,
entstehen. Man hat daher Sicherheitavorrichtungen geschaffen, mit deren Hilfe eine
schnelle Umwandlung von kinetischer Energie in Verformungsenergie bewerkstelligt
werden soll und die sich plastisch verformen, ohne die Fahrzeuginsassen einem Federungseffekt
auszusetzen, wie z.B.'Knautschzonen", "Pralltöpfe" und "Drehstäbe", also Konstruktionsteile
mit begrenzter Steifheit, mit Schwachstellen oder hoher Bruchdehnung und niedriger
Elastizitätsgrenze.
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Besonders "Ilnautschzonen" führen aber oft schon bei Zusammenstößen
bei verhältnismäßig niedrigen Geschwindigkeiten zu unverhältnismäßig großen Sachschäden
und damit zu einem großen ufwand0 Durch die J)T-OS 2 046 350 ist es außerdem bekannt
geworden, als wirksamen Bestandteil von Bauteilen, die der Aufnahme kinetischer
Energie dienen, solche metallischen Werkstoffe zu verwenden, die durch Phasenumwandlung
ein gesteigertes Aufnahmevermögen für Verformungsenergie bekommen. Insbesondere
wird vorgeschlagen, austenitische Eisenlegierungen zu verwenden, die bei Raumtemperatur
in einem thermisch instabilen Zustand sind, wodurch bei einer Verformung eine Phasenumwandlung
unter nlergieaufnahme auftritt. Durch eine entsprechende Legierungstechnik und Warmbehandlung
bei der Herstellung der Teile sollen die für das Auslösen der Phasenumwandlung notwendigen
Bedingungen, wie Temperatur und erforderliche Spannung, eingestellt werden können.
Das ist vermutlich nicht einfach und dürfte
teure Einrichtungen
sowie hohe Sorgfalt bei der Herstellung derartiger wichtiger Sicherheitselemente
erfordern.
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Bekannt geworden sind ferner Sicherheitselemente für die Umwandlung
kinetischer Energie, bestehend aus mit Kunststoff-Schaum gefüllten verformbaren
Hohlkörpern, die sich plastisch bleibend verformen und der Verformung einen gleichbleibenden
Widerstand entgegensetzen sollen. Da wegen der Kunststoff-Füllung der für die Energieaufnahme
erforderliche Weg ungünstig lang, aber der für die Umwandlung zur Verfügung stehende
Raum, besonders bei kleinen Fahrzeugen, sehr beschränkt ist, können derartige Elemente
nur dort angebracht werden, wo ein entsprechend großer Raum zur Verfügung steht;
dabei muß man es noch zulassen, daß größere Fahrzeugteile ;bleibend verformt werden,
was wiederum mit beträchtlichem Aufwand verbunden ist.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht gegenüber diesem Stand der Technik
in der Schaffung einer Sicherheitsvorrichtung, die nicht nur mit einem hohen Verformungsenergie-Aufnahmevermögen
ohne elastische Rückwirkung bei ausreichender mechanischer Festigkeit ausgestattet,
sondern die auch einfach und ohne große Sorgfaltsansprüche herstellbar ist0 Außerdem
soll sich die Energieaufnahme in einem möglichst kleinen Raum in streng vorher bestimmter
Weise abspielen, ohne daß kostspielige Schäden auftreten.
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Diese Aufgabe wird bei einer Sicherheitsvorrichtung der oben genannten
Art dadurch gelöst, daß der Hohlkörper aus -mindestens
zwei, ineinander
unter Freilassung verkleinerbarer, geschlossener Hohlräume bewegbar eingepaßten,
formstabilen, festen Teilen gebildet ist, wobei die Hohlräume mit einem zusammendrückbaren
Körnergefüge aus metallischen Pulvern gefüllt sind.
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Derartige Sicherheitsvorrichtungen werden an den bei Zusammenstößen
besonders beanspruchten Stellen eingebaut und nehmen infolge ihres hohen Energieaufnahmevermögens
und ihrer kompakten Bauweise nur einen geringen Raum ein. Bei einer Energieaufnahme
verkleinert sich das von den formstabilen Teilen eingeschlossene, fest umgrenzte
Volumen, wobei die Füllung plastisch zusammengedrückt wird.
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ls Material für die Füllungen kommen Pulver in loser Schüttung oder
porös gesinterte Formteile infrage.
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Besonders vorteilhaft ist es, als Materialien für die Füllungen solche
metallischen Pulver zu verwenden, die ein Verhältnis von Schüttdichte zu Enddichte
von kleiner als 0,5 aufweisen, weil mit derartigen Füllungen eine raumsparende Bauweise
und kurze Verformungswege bei hoher Energieaufnahme zu erreichen sind, Dabei ist
unter Enddichte die Dichte des nicht porösen, kompakten, z.B. gegossenen Stoffes,
zu verstehen. Die untere Grenze dieses Verhältnisses ist dadurch gegeben, daß die
Verformungssege zu kurz werden und womöglich sogar elastische Verformung auftritt.
Die obere Grenze ist dadurch gegeben, daß man die Schüttdichte eines Stoffes nicht
beliebig verkleinern kann.
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Von den Metallen in Pulverform haben sich Aluminium, Blei, Eisen,
Kupfer und Nickel sowie ihre Legierungsmetalle, auch in Mischungen miteinander,
in Körnungen zwischen 0,05 bis 1 mm als günstig erwiesen. Von den auf pulvermetallurgischem
Wege hergestellten, porös gesinterten Formteilen sind solche für eine plastische
Verformung vorteilhaft, die ein Porenvolumen zwischen 20 und 90% aufweisen, Falls
es sich bei der Füllung um metallische Pulver handelt, tritt beim Zusammendrücken
eine Kaltverschweißungder einzelnen Pulverteilchen miteinander auf. Wenn es sich
um ein pulver-metallurgisches, porös gesintertes Formteil handelt, so wird dieses
unter Verkleinerung des Porenraumes zusammengedrückt. In beiden Fällen findet eine
rein plastische Verformung statt, d.h. die gefürchtete Rückfederung tritt nicht
lauf.
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Als ein weiterer Vorteil ist anzusehen daß der Widerstand gegen die
Verformung mit dem zurückgelegten Weg ansteigt, wie es bei Federn der Ball ist,
während bekannte Konstruktionen, z0B.
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Drehstäbe, in ihrem Widerstand gegen die plastische Verformung nachlassen,
bis es schließlich zum Bruch kommt. Gesinterte Formteile sind bei Sicherheitsvorrichtungen
in Fahrzeugen Pulvern in loser Schüttung vorzuziehen, weil dann keine Gefahr besteht,
daß Pulverteilchen durch Rüttelung in die Bewegungsbahn der ineinander gepaßten
Rohlkörperteile gelangen Durch entsprechende Veränderung des Verformungsweges, des
beanspruchbaren Querschnitts, des Materials und der Körnung bzw.
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der Porosität kann man sich einem weiten Bereich von konstruktiven
Forderungen
anpassen. Falls bei Zusammenstößen, wie ansich beabsichtigt, nur die Füllung bleibend
verformt worden ist, läßt sich der hierdurch aufgetretene Schaden einfach durch
Auswechselung der alten, verbrauchten gegen eine neue, verhältnismäßig billige Füllung
beheben.
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Eine sehr einfache Form der Sicherheitsvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet,
daß die hohe Räume bildendenTeile aus Zylinder und Kolben bestehen. Diese Grundform
der erfindungsgemäßen Sicherheitsvorrichtung eignet sich in vielen Anwendungsfällen,
z.B0 bei der Anbringung von Stoßstangen oder in Prellböcken, bei denen im Beanspruchungsfall
die Anschlußelemente in Richtung aufeinander zubewegt werden, also die Vorrichtung
auf Druck beansprucht wird. Bei einem weiteren Anwendungsbereich sind hobjs Räume
und damit auch Füllungen durch hoWszylindrische Formen gekennzeichnet. Derartige
Vorrichtung gen lassen sich beispielsweise dort verwenden, wo die Sicherheitsvorrichtung
auf Zug beansprucht wird. Es ist auch vorteilhaft, beide Formen miteinander zu kombinieren,
was zu langen Wegen bei besonders kompakter Bauweise führt.
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Weitere Vorzüge und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen
sowie aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen, in denen die Erfindung
erläutert und schematisch dargestellt ist. Es zeigen: Fig. 1 die erfindungsgemäße
Vorrichtung in einer vorwiegend auf Druck beanspruchbaren Ausführungsform, Fig.
2 die erfindungsgemäße Vorrichtung in einer weiteren,
besonders
auf Zug beanspruchbaren Ausführungsform Fig0 3 eine weitere, besonders kompakte
Ausführungsform der Erfindung mit hohem Energieaufnahmevermögen, Fig. 3a die Vorrichtung
der Fig. 3 nach einem Beanspruchungsvorgang, Figo 4 die graphische Darstellung des
Eraft-Weg-Verlaufes bei den Vorrichtungen der Fig. 1,2 und 3 für den Fall bestimmter
Füllungen.
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Ein Beispiel für eine besonders einfacheAusführungæformder Sicherheitsvorrichtung,
die aus einem Hohlzylinder 11 und einem in ihm bewegbaren eingepaßten Kolben 12
besteht, ist in Fig. 1 dargestellt. Der Kolben 12 ist über ein Anschlußelement 13
mit einer Stoßstange oder einer Pufferplatte 14 und der Zylinder 11 durch ein anderes
Anschlußeiment 15 mit einem Gewinde 151 mit einer ortsfesten oder fahrzeugfesten,
abstützenden Konstruktion 16 verbunden, Die Beanspruchungsrichtung ist durch Pfeile
angedeutet.
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Der Eohlzylinder 11 ist mit einem zusammendrückbaren, pulverförmigen
Material 17 aus plättchenförmigem Aluminiumpulver in loser Schüttung, mit einer
Körnung von 0,04 bis 0,1 mm und einer Schüttdichte von 0,6 gr/cm3, gefüllte Wenn
die Stoßstange 14, beispielsweise bei einem Zusammenstoß, in der Pfeilrichtung beansprucht
wird, bewegt sich der Kolben 12 um den Weg "a" und das Pulvermaterial 17 wird entsprechend
zusammengedrückt.
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Auf diese Weise können über eine Zusammenpressung des Pulvermaterials
17 bis zur Kaltverschweißung erhebliche Formänderungsenergien
aufgenommen
werden. Die mit "1" gekennzeichnete Linie der graphischen Darstellung der Fig. 1
gibt über diese Verhältnisse Auskunft. Da sich nach der Erfindung Kolben 11 und
Zylinder 12 im vorgesehenen Beanspruchungsbereich nicht verformen sollen, kann nach
einem Beanspruchungsvorgang die Vorrichtung durch Auswechseln der Füllung wieder
in den Ausgangszustand versetzt werden.
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Die in Fig0 2 dargestellte beispielsweise Ausführungsform der Erfindung
ist vor allem als Energiewandler für die Verwendung zusammen mit Sicherheitsgurten
vorgesehen. Die den verkleinerbaren Raum bildenden Teile, ein Zylinderteil 21 und
ein Kolben teil 22 mit Kolbenstange 24, sind so ineinander gepaßt, daß sich ein
hohlzylindrischer Raum für die Füllung 23a, 23b und 23c ergibt. An der Kolbenstange
24 ist ein Klemmstück 25 für die Anbringung eines Sicherheitsgurtes 26 vorgesehen.
Der Zylinderteil 21 weist als Anschlußelement eine Öse 27 zur Befestigung an einem
fahrzeusten Punkt auf.
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Die Füllung 23 besteht aus mehreren Formteilen, 23a, 23b und 23c,
aus porösen, aus netallpulvern gesinterten Materialien, welche bei einer Zugbeanspruchung
der Vorrichtung in der Pfeilrichtung durch den Kolben 22 auf dem Wege "b" unter
bedeutender Verkleinerung des Porenvolumens auf die mit 28a, 28b und 28c bezeichneten
Formen zusammengedrückt werden.
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In dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2 ist das hohlzylindrisChe Formteil
23a aus Kupferpulver mit nadelförmigen Teilchen, sogenanntes
dendritisches
Pulver, in einer Körnung kleiner 0,06 mm, aus geschütteten Formlingen der Schüttdichte
1,09 gr/cm3 bei 6900 C gesintert worden. Das Formteil 23b besteht ebenfalls aus
dendritischem Kupferpulver der Körnung kleiner 0,06 mm, Jedoch der Schüttdichte
2,45 gr/cm3 und wurde in Schüttdichte be 7100 C gesintert. Das Formteil 23c schließlich
besteht aus Schwammeisen-Pulver in einer Körnung kleiner 0,16 mm, der Schüttdichte
1,7 gr/cm3, und wurde in Schüttdichte bei 10000 C gesintert. Wie ein Vergleich der
in der graphischen Darstellung von Fig. 4 mit "1" und "2" bezeichneten Kurven erkennen
läßt, ergibt die Füllungsanordnung von Fig. 2 eine wesentlich sanfter ansteigende
Kurve, was diese Anordnung für die Anwendung als Energiewandler für Sicherheitsgurte
besonders geeignet macht.
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Da Zylinderteil 21 und Osenteil 27 durch ein Gewinde 29 getrennt werden
können, sind die Formteile 28 nach Beanspruchung leicht gegen neue Formteile 23
auswechselbar.
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In den Fig. 3 und 3a ist eine aus einem Zylinderteil 31 und Hohlzylinderteilen
33 und 35/36 zusammengesetzte Ausführungsform der Erfindung dargestellt, die trotz
ihrer kompakten Bauweise einen sehr langen Verformungsweg It5 ausweist Ein centrisch
angeordneter Kolben 29 kann ein Formteil 30 im Zylinder 31 zusammendrücken0 Ein
den Zylinder 31 flanschartig umgebender Kragen, welcher mit dem Zylinder 31 einstückig
ist, dient als Kolben für den Hohlzylinder 33, der den Zylinder 31
umgibt.
Auch der Hohlzylinder 33 hat einen flanschartigen Kragen, der als Kolben für den
den Hohlzylinder 33 umgebenden Hohlzylinder 35/36 dient. Im unbeanspruchten Zustand
hat die Vorrichtung die kompakte, in Fig. 3 dargestellte Zylinderform, die sich
zu der in Fig0 3a dargestellten Theleskopform auseinanderfahren läßt, wodurch der
günstig lange eg "S" entsteht.
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Die in den Hohlräumen befindlichen Füllungen, ein zylindrisches Formteil
30 und hohlzylindrische Formteile 32 und 34, füllen die Hohlräume nur teilweise
aus, d.h. in der Länge, aber nur teilweise in der Breite, was bei der Verformung
den Verformungsweg in günstiger Weise verlängert. Die auf pulvermetallurgischem
Wege aus der losen Schüttung porös gesinterten Formteile bestehen aus dendritischem
Kupfer-Pulver, einer Körnung kleiner als 0,06 mm und einer Schüttdichte v9n 1,09
gr/cm3, und wurden bei 6900 C aus der losen Schüttung gesintert.
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Zum Unterschied von der in Fig. 3 gezeichneten Ausführungsform wurde
bei der Darstellung des Kraft-Weg-Verlaufes der Linie '§3" in Fig. 4 zur Vereinfachung
der Parameter angenommen, daß die Formteile 30, 32 und 34 gleich-große Volumina
haben.
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Die Zylinderteile 35 und 36 können durch ein Gewinde getrennt werden,
so daß auch bei dieser Ausführungsform die Füllungen nach Beanspruchung leicht auswechselbar
sind. Als Anschlußelement zur Befestigung der Sicherheitsvorrichtung kann auch Teil
35 oder 36 mit einem kragenförmigen Flansch versehen sein.
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Bei allen Ausführungsformen läßt sich an der Kolbenstellung sofort
ersehen, inwieweit die Füllungen durch eine Beanspruchung verformt worden sind,
ob ggfO der Energiewandler bis an die zulässige Grenze beansprucht wurde, während
bei den bekannten Lamellenbremsen und Drehstäben der Beanspruchungszustand, sogar
Beschädigungen, nur schwer erkennbar ist0 - ANSPRUCHE -