DE3434844A1

DE3434844A1 - Stossfaengerfederdaempfung

Info

Publication number: DE3434844A1
Application number: DE19843434844
Authority: DE
Inventors: Friedhelm 5030 Hürth Jüttemann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1984-09-22
Filing date: 1984-09-22
Publication date: 1985-05-23

Description

1 Federausführung bei Stoßfänger von Kraftfahrzeugen
jeglicher Art.
2. 1 Kraftfahrzeugwesen 2.2 Bisherige Ausführung der Stoßfänger: Stoßfänger sollen die Karosserie vor Beschädigung bei leichtem Anstoß schützen und das Verhaken zweier Fahrzeuge beim Parken verhindern. Ferner sollen sie das Anschieben eines Fahrzeuges im Notfall ermöglichen.
Auch bei Fußgängerunfällen kommt ihnen eine gewisse Schutzfunktion zu.
Diese Definition zeigt, daß sie eine Funktion haben und kein stilistisches Element sind.
Leider sind die heute verwendeten Formen hierfür wenig geeignet, weil sie zu nah an den Karosserieblechteilen angebracht sind und zu schwach sind, Stöße aufzunehmen.
Stoßfängeranbringung ( Höhe Eine einheitliche, Höhenlage ist Voraussetzung für die Schutzfunktion.
Dieses Gebot bestehender Normen wird oft mißachtet, weil die Fahrzeuge zu verschieden in Größe und Federkennung sind.
Nach gegenwärtigem Stand und gemäß ISO-Norm 2958/73 gilt eine Bezugshöhe ( Ebene ) von 445mm über dem Boden für Betriebsgewicht leer und mit 3 Personen Zuladung von je 750 N for 4- bis Ssitzige Fahrzeuge ( nach Einigung mit den USA wahrscheinlich 330/350 mm Ab 1980 wird die Einhaltung dieser Norm nach dem ECE - Entwurf verlangt. Das Problem liegt in der Einhaltung der Bezugsebenen für beide Belastungsfälle. Sie ist nur möglich durch sehr hohe (breite) Stoßfänger und / oder vertikal angeordnete Überdeckungsglieder ( Hörner ) , deren Funktion aber unsicher ist, vor allem bei Schräganstoß.
Ausführung und Festigkeit Bei einem Aufschlagversuch ( Pendelschlag ) vorn, hintern und auf die Ecken dürfen weder bleibende Beschädigungen entstehen, noch die Einstellung der Scheinwerfer und die Funktionen von Hauben - und Kofferverschlüssen beeinträchtigt werden. Außerdem sollten die Kontaktflächen mit Gummi - oder Plastikschutz versehen sein.
Diese Bedingungen können nur erfüllt werden, wenn die Aufnahme der Stoßenergie nicht nur vom Stoßfänger selbst, sondern auch von seiner Befestigung ( plastisch verformbare Träger ) erfolgt. Aus diesem Grund muß der Stoßfänger ausreichenden Abstand ( Mindestabstand 70 mm ) von, bzw. durch entsprechende Gestaltung der anschließenden Karosserieteile haben zur Möglichkeit der Verschiebung.
Als Befestigungselemente können hydraulische Dämpfer vorgesehen werden, wie sie für USA - Fahrzeuge Verwendung finden; leichter und billiger aber sind verformbare Bleche oder schaumgefüllte Kunststoffteile, die leicht auswechselbar sind ( siehe unter 2.6 ).
Mit Darstellung 1 ist schematisch ein solcher Stoßfänger samt Befestigungselement gezeigt.
Konstruktionsvorschlag für Stoßfänger mit begrenzter Energieaufnahme (ISO 2958 bzw, FM VSS 215).
Es erhebt sich die Frage, ob es überhaupt richtig ist, an dem bisherigen Konzept eines Stoßfängers festzuhalten, oder stattdessen die Karosserie besonders vorn so zu gestalten, daß sie sowohl den Anforderungen einer Kleinstkollision wie auch dem Fußgängerschutz besser entspricht. Vor allem in den USA sind solche verformbaren Plastikvorderteile schon verwirklicht. (Darstellung 2 Plastisch verformbare Vorderpartie auf Stahlträger).
Ich habe mich für die unter 2.6 dargestellte Lösung entschieden.
2.3 Beim Aufprall ( Stoß ) zweier Kraftfahrzeuge soll die Verformung aus einem plastischen Stoß in einen elastischen Stoß " transformiert " werden.
2.4 Gewerblich nutzbar ist der oben genannte Gegenstand der Erfindung in jedem Zweig der Automobilindustrie.
2.5 Die Erfindung dient der Erhöhung der Sicherheit von Fahrzeug und Fahrzeuginsassen, sowie der Senkung von Unfallkosten und Schadensaufwendunaen von Seiten der Versicherungen.
Bei der herkömmlichen Stoßfängerbefestigung kommt es bei Auffahrunfällen und Frontalzusammenstößen zu Deformationen der Karosserie erheblichen Ausmasses.
Dies führt zu folgenschweren Personenschäden.
2.6 Grundsätzlich gilt für Energieabsorption durch Verformung folgendes: Beim Maueraufprall wird die kinetische Energie des Fahrzeuges m = Fahrzeugmasse ( 1J = 1 Nm vO= Aufprallgeschwindigkeit praktisch nur vom Fahrzeug absorbiert, und zwar durch kinetische und elastische Umformungen sowie durch plastische Verformungen ( Formänderungsarbeit ).
Mathematisch ausgedrückt ist: Beim Unfallstoß ist der Anteil der elastischen Energieaufnahme gering. Es tritt vor allem plast.
Verformung auf, welche hauptsächlich die Energieaufnahme darstellt.
Anmerkung: Der rechte Term der G].1 soll durch die Federn auf Delta Eelast reduziert werden, d.h. Wegfall von Delta Eplast.
Anzumerken ist folgendes: Def.: Stoßvorgänge sind dadurch gekennzeichnet, daß, verglichen mit dem Bewegungsvorgang vor und nach dem Stoß, auf die am Stoß beteiligten Körper während einer sehr kurzen Zeit sehr große Kräfte wirken und den Bewegungszustand der Körper stark ändern.
Mit 1 und S2 sind die Schwerpunkte der Körper bezeichnet.
Man nennt den Stoß zentral, wenn die Stoßnormale durch die Schwerpunkte der beiden Körper verläuft.
Ist das nicht der Fall, so spricht man von einem exzentrischen Stoß. Ferner unterscheidet man zwischen geradem und schiefem Stoß, je nachdem, ob die Geschwindigkeitsvektoren der Berührungspunkte der Körper mit der Stoßnormalen zusammenfallen oder nicht.
Beim Stoß erleiden die Körper Verformungen.
Gehen die Verformungen nach dem Stoß vollständig zurück, so daß die Körper ihre ursprüngliche Gestalt wiedererhalten, so heißt der Stoß elastisch.
Gehen die Verformungen nicht zurück, so heißen die Verformungen plastische Verformungen.
Gerader zentraler Stoß: Aus dem Vorheraesagten folgt; durch einen geraden zentralen Stoß kann keine Drehbewegung eingeleitet werden.
Ferner gilt für den elastischen Stoß: Die beiden sich stoßenden Körper bilden ein abgeschlossenes mechanisches System, und es gelten der Impuls - und der Energieerhaltungssatz.
Es ist: PA PE=P0=const ; EkA=Ek=EkO=const.
Beim elastischen Stoß unterscheidet man zwei Stoßabschnitte: Erster Stoßabschnitt Durch die an der Berührungstelle auftretenden Kräfte, die nach dem Reaktionsaxiom entgegengesetzt gleich sind, wird der Körper 2 beschleunigt und der Körper 1 verzögert. Dabei werden beide Körper durch die Berührungs - und Massenkräfte verformt. An Ende des ersten Stoßabschnittes sind die Verformungen am größten, und die beiden Körper haben die gleiche Geschwindigkeit v1p=v2p=vp Zweiter Stoß abschnitt Die Verformungen gehen teilweise oder ganz zurück.
Dabei wird der Körper 2 weiter beschleunigt und der Körper 1 weiter verzögert. Der zweite Stoßvorgang ist beendet, wenn die Körper sich nicht mehr berühren.
Ihre Geschwindigkeit nach dem Stoß bezeichne ich mit v lE und v2E beim elastischen Stoß. Gehen die Verforzungen nach dem ersten Stoßabschnitt nicht zurück (plastischer Stoß), so entfällt der zweite Stoßabschnitt und die beiden Körper bewegen sich nach dem ersten Stoßabschnitt mit der gemeinsamen Geschwindigkeit vp weiter.
Anwendung des Impulserhaltungssatzes: Es sei pp=pA=p0 =const. und P0 = m1v1+m2v2 und somit Ferner gilt für den elastischen Stoß: 1A vp vp V1E p #v1E=2vp -v1A;# v2E=2vp-v2A und Subtraktion v1A - v2A =v2E - v1E d.h. die Relativgeschwindigkeiten zueinander sind vor und nach dem elastischen Stoß entoegengesetzt gleich.
Am Ende des ersten Stoßabschnittes beträgt die kinetische Energie der Körpersystems Nach dem Energieerhaltungssatz folgt, daß die Differenz aus der kinetischen Energie EkA =EkO vor dem Stoß und der kinetischen Energie Ekp am Ende des ersten Stoßabschnittes aleich der maximalen elastischen Energie E ist, max wie man leicht sieht P]astischer Stoß Beim plastischen Stoß zweier Körper gilt wie beim elastischen Stoß der Impuiserhaltungssatz, jedoch nicht der Energieerhaltungssatz. Die Formänderungen gehen beim plastischen Stoß nicht zurück, d.h. verglichen mit dem elastischen Stoß entfällt beim plastischen Stoß der zweite Stoßabschnitt.
Nach dem plastischen Stoß bewegen sich die beiden Körper mit derselben Geschwindigkeit v . Diese kann P nach der aus dem Impulserhaltungssatz folgenden Gleichung 2 berechnet werden Der beim elastischen Stoß aufgespeicherten maximalen Energie nach Gleichung 3 entspricht beim plastischen Stoß die verrichtete Formänderungsarbeit Die rechte Seite der Gleichung 1 beinhaltet eine plastische Verformung des Fahrzeuges nach einem Stoß, infolge der plastischen Energie.
Meine Ausführung ist dadurch gekennzeichnet, daß der rechte Ausdruck der Gleichung 1 um Delta Eplast. reduziert wird, d.h.
Delta E = Delta Eelast. (siehe Anmerkung) Dieses wird folgendermaßen erreicht: Es werden anstatt der üblichen Stoßfängerbefestigung zwischen Stoßfänger und Karosserierahmen Federn montiert. Diese Federn werden an Front und Heck angebracht. Durch sie habe ich eine soaenannte 'Stoßtransformation' vorgenommen, d.h. es gilt Delta E = WF ( WF = Federenergie ).
Der Raum, der die sogenannte 'Transformation' vornimmt, nenne ich JÜTTEMANN-RAUM ( In).
Bei der Vielzahl der Federarten habe ich mich für die zylindrische Schraubendruckfeder mit rundem Querschnitt entschieden. Ebensogut könnte man zylindrische Schraubendruckfedern mit rechteckigem Querschnitt, oder nichtzylindrische Schraubendruckfedern mit rundem oder rechteckigem Querschnitt, sowie Tellerfedern, oder auch Blattfedern verwenden. Diese zum Einsatz kommenden Federn werden auf Druck beansprucht. Dabei ist darauf zu achten, daß der Schlankheitsfaktor ß einen gewissen Wert nicht wesentlich übersteigt, damit die Feder nicht ausknickt.
Es gilt: für Werte von vA < 2,635 besteht keine Knickgefahr, da in diesem Falle keine reelle Lösung existiert.
Mit v=1 folgt daraus für A < 2,635 Diese Bedingung ist erfüllt, da in den Berechnungen A = 2,5 ist.
Feder ( allgemein Aufgabenbereiche : 1. Energiespeicherung 2. Energieübertragung 3. Energieumwandlung bzw.
Energievernichtung Die von mir gestellte Anforderung an die Federn besteht in der Energieumwandlung.
Voraussetzung Es gilt das lineare Kraftgesetz.
Dann ist F = cs ; dabei ist c die Federkonstante ( Federrate ) WF = Federspannarbeit Beim Spannen der Feder ist die Federkraft der Verschiebung entgegengesetzt, d.h.
cs2 WF = - -- 2 F = Belastung 2 s,f = Federweg Federsteifigkeit c = F Federkennlinie 5 ( s. Darstellung 3 Federkennungen Schraubendruckfedern sind rotationssymmetrischgewundene Drehstäbe mit Kreis- oder Rechteckquerschnitt. Die Verformungen werden durch die Federachsrichtung ( Rotationsachse ) angreifender Kräfte erzielt. Das Federmaterial wird auf Torsion beansprucht. ( s. Darstellung 4 Spannungsverteilung im Stabquerschnitt einer Schraubendruckfeder (schematisch).
Kräfte und Momente, die im Stabauerschnitt einer Schraubendruckfeder auftreten, sind am Querschnitt einer Schraubendruckfederwindung veranschaulicht.
( s. Darstellung 5, Kräfte und Momente an einer Schraubenfederwindung ).
Da der Stoßfänger und somit auch die Federn in der Praxis weniger als 10000 Belastungsfällen ausgesetzt ist, kann man nicht von einer dynamischen Belastuna sprechen. Man spricht hier von statischer Beanspruchung.
Berechnung: Für die Berechnung der Feder muß die Kraft F, die die Feder auf Druck beansprucht bekannt sein, bzw.
berechnet werden. Dabei muß mit der maximal auftretenden Kraft max gerechnet werden. Damit ist die Feder für die theoretische Kraft ( Fmax th.) ausgelegt.
Der eigentliche Stoß ablauf beträgt einen Bruchteil einer Sekunde.
Annahme : t = 0,2s Es ist : F = ma bzw. Fmax = Csmax bei c = const.
Diskussion dieser Formel: F = ma F wird größer, wenn m größer ; bei a = const. oder F wird größer, wenn a größer ; bei m = const.
Da Delta v = v1 - v2 nicht so groß ist, wie Delta m = m1 - m2 , so folgt daraus Fmax bei m und Vmax, zum Beispiel : m1 = Mauer m1» m2; m2 = 40000 kg ( LKW v1 = om/s ; c2 = 44,44 m/s mmax mmaX = 40000 kg ; vmax = 44,44 m/s Demnach ist : F th. = 8888,88 kN = 9000 kN Es gibt auch 50t oder 60t Autokrane, diese haben aber eine Geschwindigkeit von 11,11 m/s oder 16,66 m/s . Sie erreichen kein Fmax und fallen somit aus der Betrachtung heraus.
Diskussion der Gleichung 3: Es ist m' wird größer, je größer m1 und m2 ist.
m bei m1 = m2 ; m1, m2 beliebig, aber fest V1= 70 mls und m1 = 2500kg ( PKW v2 = 44,44 m/s und m2 = 40000 kg (LKW) Ferner ist Delta v2 = (v1A-v2A)², hierfür gilt: Je größer die Differenz der beiden Geschwindigkeiten ist, desto größer wird der Klammerausdruck, d.h.
mit 1. v1A = 70 m/s und v2A = o m/s oder v 1A = 0 m/s und v2 =70 m/s und 2. v1A = 44,44 m/s und v2A= 0 m/s oder v 1A = 0 m/s und v =44,4W m/s 2A Der Klammerausdruck ist immer positiv, da dieser quadriert wird.
Somit ergibt sich folgendes E max Wie man sieht, sind die unter 2. aufgeführten Werte Extremwerte für den Klammerausdruck.
Mit m und v erhält man max max E = 2 400002 ( 44'44 ) Nm man 2 80000 = 19749136 Nm = 2.1010 Nmm Sind die Geschwindigkeiten v1 und v2 beim Stoß entgegengesetzt gerichtet, d.h. daß die Kräfte ebenfalls entgegengesetzt gerichtet sind, so muß ich den Federweg der Stoßpartner voneinander subtrahieren. Das gleiche gilt auch, wenn v1 und v2 gleichgerichtet sind, aber v2 größer als ist. Treffen sich die Stoßpartner unter einem Winkel α so ist E kleiner E max Grundsätzlich gilt: Gleichmäßige Kraftübertragung auf die gesamte Stoßfängerbreite Es ist Delta E = Ek; Ek = WF (lineare Kennung) und Da es sich um 40 ( 20 pro Stoßpartner ) gleichbeanspruchte Federn handelt, beträgt Die Federn sind zweireihig mit 10 Federn pro Reihe angeordnet.
Der Federweg ist: = 13766,73 mm2 smax = 117,33171 mm 117,3mm Die maximal auftretende Federkraft ist dann c = 73000 N/mm Dieses c = 73000 N/mm läßt sich herabsetzen, indem man zusätzlich zu zwei Reihen eine dritte Reihe anbringt.
Fmax = csmax ( mm N/mm = 73000 117,3 = 8562900 N = 8,6.106 N ist kleiner 9.106 N (siehe Fmax th.) Da smax nur auftritt, wenn ein Stoßpartner in Ruhe ist ( v = 0 ) , so reduziert sich der Federweg smax bei Kollision um s, bei entsprechender Masse der Stoßpartner und entsprechender Energie.
Es ist Lo = smax + LB ; LB = Block länge der Feder = (117,3 + 164 )mm L0 = Gesamtlänge der Feder = 281,3 mm Gewählte Federlänge: 300 mm ig = if + 2,0,75 ; ig = Gesamtwindungszahl g g = 3 + 1,5 if = Anzahl der federnden Windungen d.h. keine Knickgefahr, da vÄ < 2,635 = = Schlankheitsfaftor w = Wickelverhältnis (siehe Darstellung 6) Da die Federn einen vorgegebenen beliebigen aber festen Raum einnehmen sollen, müssen sie folgende Bedingungen erfüllen: L0 = 300 mm D = 160 mm a Dm = 120 mm ( siehe Berechnung und Darstellung 6 D1 = 80 mm d = 40 mm if = 3 G = 78450 N/mm2 Zur Erläuterung sei ein Beispiel ausgeführt: Voraussetzung: Zentraler Stoß Es sei m1 = 2500 kg und v1 = 70 m/s m2 = 2500 kg und v2 = 0 m/s Die beiden Fahrzeuge stoßen zusammen.
Es ist dann Ferner sei m1 = 40000 kg und v1 = 44,44 m/s " " m2 = 40000 kg und v2 = 0 m/s Dann ist Da es sich um 40 gleichbeanspruchte Federn handelt, 20 pro Fahrzeug S2 = 3062500000 Nmm 1452777, 77N/mm S2 = 2108,030604 mm2 s = 45,91329441 mm = 46 mm smax = 117.33171 mm = 117,3 mm Durch den Stoß der beiden Kraftfahrzeuge ist s von smax zu subtrahieren.
Also s' = 5max - s = 117,3 mm - 46 mm = 71,3 mm s' ist der Federweg, der beim Stoß beanspruchten Federn des PKW's.
Dagegen beträgt der Federweg der beanspruchten Federn beim LKW 46 mm.
Fährt ein LKW gegen eine Mauer, so ist s = max 117,3 mm, d.h. es ist genug Federweg vorhanden ( 136 mm).
Die Federn sind ausgelegt beim PKW für eine Geschwindigkeit ( vmax ) von 250 km/h.
vmax für den LKW beträgt 160 km/h.
Die Feder soll aus 51 CrMoV4 - Federstahl gefertigt werden.
Anordnung und Ausführung der Federn am Kraftfahrzeug Die Voraussetzung für die Anordnung der Federn am KFZ ist das Anbringen der Stoßfänger in gleicher Hohe.
Anordnung der Federn am KFZ: 1. Die Federn sind über die gesamte Fahrzeugbreite so anzubringen, daß sie sich berühren. (Mindestbreite des Fahrzeuges 1600 mm).
2. Die Federn werden zweireihig (für LKW eventuell drei- oder vierreihig) übereinander angebracht.
3. Die Federn sollen möglichst den Zwischenraum von Stoßfänger und Karosserie beanspruchen.
4. An der Karosserie wie auch an den Stoßfängern müssen Federführungen angebracht werden. Dies ist sinnvoll, damit die Federn nicht ausknicken-und beschädigt werden.
5. Zusätzlich zu den Federn können auch noch Gasdruckdämpfer zum Einsatz kommen, die im Innenraum der Feder lokalisiert sind. Die Federn werden dadurch zusätzlich entlastet, was eine Verkürzung des Federweges zur Folge hat.
6. Der übrige Raum ist mit Schaumstoff auszufüllen.
Alles zusammen bildet eine Einheit.
Die Kraftfahrzeuge, die damit ausgerüstet sind, leisten somit einen qroßen Beitrag für die Sicherheit der Insassen, und die der anderen Verkehrsteilnehmer.
Zur besonderen Sicherheit von Kraftfahrzeug und Insassen kann man die Federn auch an den Seitenpartien zusätzlich zu Front und Heck als Stoßschutz anbringen.
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Claims

Patentansprüche 1. Stoßfänger fii Fahrzeuge jeglicher Art, zum Schutz der Karosserie vor 3eschädigung, dadurch gekennzeichnet, daß der Stoßfänger mittels Federn so ausgelegt ist, daß die auftretenden Stöße durch eine Dransformation in elastische Stöße umgewandelt werden, dabei tritt sogar bei hoher Geschwindigkeit keine bleibende Verformung der Karosserie auf.
2. Stoßfänger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zehn sich berührende Federn einer bestimmten Legierung in einer Reihe nebeneinander angeordnet sind, jeweils zwei oder mehr Reihen übereinander, wobei die Zwischenräume mit Kunststoff ausgeschäumt werden.
3. Stoßfänger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an FLarosserie und Verkleidung des Stoßfängers Federfiiiirungen angebracht werden, damit die Federn bei belastung nicht ausknicken, und somit der Schutz für Fahrzeug und Insassen nicht mehr gewährleistet ist.