DE3838595A1 - Bauelement zur absorption von energie - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Bauelement zur Absorption von Energie.

Der passiven Sicherheit der Insassen von Kraftfahrzeugen wird heute im allgemeinen große Aufmerksamkeit gewidmet, beispielsweise durch starr gestaltete Fahrgastzellen, Knautschzonen aus deformierbaren Karosserieteilen mit hohem Absorptionsvermögen für Stoßenergie vor und hinter der Fahrgastzelle sowie Aufprallschutzelemente am Lenkrad für Kraftfahrzeuge. Der physischen Belastbarkeit des menschlichen Körpers durch abrupte Abbremsung des Kraftfahrzeugs im Falle einer Kollision sind bestimmte Grenzen gesetzt. So besteht für den Konstrukteur von Kraftfahrzeugen die Forderung, daß an den Körperteilen Kopf, Brust und Becken über einen Zeitraum von nicht länger als 3 ms höchstens Bremsverzögerungen von 80×g für den Kopf und 60×g für Brust und Becken auftreten dürfen. Da die Gesamtdauer der Kollision eines Kraftfahrzeuges jedoch etwa 90 ms beträgt, muß der Kraftfahrzeugkonstrukteur für ausreichende Verzögerung der rotatorischen Vorwärtsbewegung des Oberkörpers des Kraftfahrzeuglenkers durch die Verwendung von formänderbaren Bauelementen über möglichst große Wege innerhalb des Kraftfahrzeugs Sorge tragen. Für solche Zwecke sind formänderbare Bauelemente aus Aluminiumwaben, Aluminiumschaum oder füllstoffhaltigem Metallschwamm, z.B. auf der Basis von Aluminium, Zink, Magnesium, Nickel, Kupfer, Blei oder deren Legierungen, entwickelt worden (DE-A-20 49 918). Obwohl diesen Bauelementen nach der stoßartig auftretenden Drucklast ein rascher Anstieg und anschließend ein annähernd horizontaler Verlauf des Formänderungswegs eigen ist und somit ein brauchbares Energieabsorptionsvermögen vorliegt, sind derartige Bauelemente nicht über die Erprobung hinausgekommen, weil eine exakte Reproduzierbarkeit des Verlaufs des Formänderungswegs in Abhängigkeit von der Formänderungsdruckkraft, der im Idealfall die Form eines Trapezes unter der Kraft-Weg-Kennlinie besitzt, nicht möglich war.

Um im Falle einer Kollision die Vorwärtsbewegung, insbesondere des Kopfes und der Brust des Kraftfahrzeuglenkers nach dem Aufprall auf das Lenkrad zu verzögern, sind an den Speichen des Lenkrades Sollknickstellen und in der Mitte des Lenkrades über der Lenkradnabe ein aus plastisch deformierbarem Kunststoffschaum bestehender Formänderungskörper vorgesehen. Diese werden jedoch bei stoßartig auftretender Drucklast der Forderung nach ausreichender Länge des Formänderungswegs nicht gerecht. Zwar erfolgt beim Aufprall auf das Lenkrad zunächst eine plastische Formänderung, die aber mit stark ansteigendem Formänderungswiderstand in eine unerwünschte elastische Formänderung übergeht.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Bauelement zur Absorption von Energie durch nicht-elastische Formänderung bereitzustellen, dessen charakteristische Weg-Druckkraft-Kennlinie Trapezform besitzt, deren Verlauf der idealen Weg-Druckkraft-Kennlinie sehr angenähert und reproduzierbar ist.

Gelöst ist diese Aufgabe durch einen im Verhältnis zu seinen Querabmessungen langen prismatischen geraden, unter axial wirkender Drucklast in Richtung der Achse des größeren Hauptträgheitsmoments nicht-elastisch ausknickbaren Metallstab mit auf wenigstens einer der senkrecht zur Achse des größeren Hauptträgheitsmoments stehenden Breitseiten angebrachten, quer zur Längsabmessung verlaufenden Geradverzahnung.

Bei axialer Drucklast erfolgt ein Ausknicken des Metallstabs mit kleinen sinusförmigen, aber beliebigen Ausbiegungen im Bereich seiner freien Knicklänge, wobei der Formänderungsweg anfangs vergleichsweise steil ansteigt und über die restliche Zeit im wesentlichen horizontal bleibt, weil sich die Zähne der Geradverzahnung im Bereich der freien Knicklänge, beginnend im Maximum der Ausknickung, fortschreitend nach beiden Seiten hin gegeneinander abstützen.

Die Ausknickrichtung, die in Richtung der Achse des größeren der beiden Hauptträgheitsmomente stattfindet, kann dadurch vorbestimmt werden, daß, gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung, die Geradverzahnung auf der der angestrebten Ausknickrichtung gegenüberliegenden Breitseite des Metallstabs, vorzugsweise im Bereich ihrer freien Knicklänge, angeordnet ist.

Eine optimale Absorption von Energie ist erreichbar, wenn die Geradverzahnung auf der der vorbestimmten Ausknickrichtung gegenüberliegenden Breitseite des Metallstabs im Bereich der freien Knicklänge und in den Bereichen zwischen den Befestigungen des Metallstabs und den Wendepunkten der Ausknickung auf der in die gewünschte Ausknickrichtung weisenden Breitseite angebracht ist.

Im allgemeinen erstreckt sich die Geradverzahnung über die gesamte Breitseite des Metallstabs.

Zur Erhöhung der Drucklast des Metallstabs besteht die Möglichkeit, eine von den parallel zu der die Achsen der beiden Hauptträgheitsmomente einschließenden Ebene liegenden Schmalseiten her angebrachte Geradverzahnung vorzusehen, die sich jeweils nur über weniger als 50%, vorzugsweise 20 bis 40%, der Breitseiten erstreckt.

Im Rahmen der besonderen Ausgestaltung der Erfindung sind an einer oder an beiden der Schmalseiten des Metallstabs einteilig mit diesem verbundene Zinken kammartig angeordnet und unter Bildung der Geradverzahnung auf die Breitseiten gebogen.

Es besteht auch die Möglichkeit, zur Bildung der Geradverzahnung die Zinken so hochzubiegen, daß sie einen Winkel von 90° mit der Breitseite des Metallstabs bilden.

Als weitere Ausgestaltung des Metallstabs besitzen die Zähne der Geradverzahnung des Metallstabs ein Evolventen-, Zykloiden-, Kreisbogen- oder U-Profil mit senkrechten oder geneigten Zahnflanken.

Die Anwendung des erfindungsgemäß gestalteten Metallstabs ist insbesondere für die Halterung von Stoßstangen von Kraftfahrzeugen sowie für die Anordnung im Bereich der Knautschzonen vor und hinter der Fahrgastzelle von Kraftfahrzeugen sowie zum Einbau in die Speichen von Lenkrädern für Kraftfahrzeuge geeignet.

Der erfindungsgemäß gestaltete Metallstab ist in den Zeichnungen beispielhaft dargestellt und wird nachfolgend näher erläutert.

Bei dem in Fig. 1 in einer Seitenansicht in Richtung der Achse des größeren Hauptträgheitsmoments dargestellten, aus Stahl des Typs St37 bestehenden Metallstab (1), der in Fig. 2 als Ansicht auf eine der Schmalseiten wiedergegeben ist, sind die beiden Breitseiten zwischen dessen Befestigungen (3) vollständig mit einer Geradverzahnung (4) mit rechteckförmigen Zähnen versehen. Fig. 3 zeigt in einer Ansicht auf eine der Schmalseiten des Metallstabs (1) die Formänderung des Bauelements durch Ausknicken nach der Einwirkung einer stoßartig aufgebrachten Drucklast.

Der in Fig. 4 als Seitenansicht in Richtung der Achse des größeren Hauptträgheitsmoments gezeigte Metallstab (5), der in Fig. 5 als Ansicht auf eine der Schmalseiten dargestellt ist, besteht aus Stahl des Typs St60. Im Bereich der freien Knicklänge (6) des Bauelements ist auf der der Ausknickrichtung gegenüberliegenden Breitseite eine Geradverzahnung (7) mit rechteckförmigen Zähnen angebracht. Im Bereich zwischen den Befestigungen (8) des Metallstabs (5) und den Wendepunkten (9) der Ausknickung verläuft die Geradverzahnung (7) auf der in Ausknickrichtung liegenden Breitseite. In Fig. 6 ist der nach einer stoßartig aufgebrachten Drucklast ausgeknickte Metallstab (5) dargestellt.

Fig. 7 zeigt in perspektivischer Darstellung das Teilstück eines Metallstabs (10), bei dem die Geradverzahnung durch an seinen beiden Schmalseiten kammartig angebrachte und auf die eine Breitseite gebogene Zinken (11) gebildet ist.

In Fig. 8 ist in perspektivischer Darstellung das Teilstück eines Metallstabs (12) wiedergegeben, an dessen Schmalseiten kammartig angebrachte, als Geradverzahnung wirkende Zinken (13) so gebogen sind, daß sie mit der einen Breitseite einen Winkel von 90° bilden.

Die dynamische Kraft-Weg-Kennlinie des erfindungsgemäß ausgebildeten Metallstabs (1, 5, 10, 12) wurde an mehreren Proben ermittelt. Auf kurzem Formänderungsweg baut sich zunächst eine vergleichsweise hohe Formänderungsdruckkraft auf. Nach Erreichen der Eulerschen Knickkraft bleibt diese Druckkraft über einen vergleichsweise langen Formänderungsweg annähernd konstant, wie das in Fig. 9 dargestellte Kraft-Weg-Diagramm zeigt. Der Metallstab kommt damit dem idealen Energieabsorptionsvermögen sehr nahe.

Claims (12)

1. Bauelement zur Absorption von Energie, gekennzeichnet durch einen im Verhältnis zu seinen Querabmessungen langen prismatischen geraden, unter axial wirkender Drucklast in Richtung der Achse des größeren Hauptträgheitsmoments nicht-elastisch ausknickbaren Metallstab (1, 5, 10, 12) mit auf wenigstens einer der senkrecht zur Achse des größeren Hauptträgheitsmoments stehenden Breitseiten angebrachten, quer zur Längsabmessung verlaufenden Geradverzahnung (4, 7, 11, 13).

2. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Geradverzahnung (7, 11, 13) auf der der gewünschten Ausknickrichtung gegenüberliegenden Breitseite des Metallstabs (5, 10, 12) angebracht ist.

3. Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Geradverzahnung (7) im Bereich der freien Knicklänge (6) des Metallstabs (5) angebracht ist.

4. Bauelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Geradverzahnung (7) in den Bereichen zwischen den Befestigungen (8) des Metallstabs (5) und den Wendepunkten (9) der Ausknickung auf der in die gewünschte Ausknickrichtung weisenden Breitseite angebracht ist.

5. Bauelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Geradverzahnung (4, 7) über die gesamte Breitseite des Metallstabs (1, 5) verläuft.

6. Bauelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die von den parallel zu der die Achsen des kleineren und größeren Hauptträgheitsmoments einschließenden Ebene liegenden Schmalseiten des Metallstabs her angebrachte Geradverzahnung jeweils über weniger als 50%, vorzugsweise 20 bis 40%, der Breitseite verläuft.

7. Bauelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Geradverzahnung durch an der einen oder beiden Schmalseiten des Metallstabs (10) einteilig mit diesem verbundene, kammartig angeordnete und auf die Breitseiten gebogene Zinken (11) gebildet ist.

8. Bauelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Geradverzahnung durch an der einen oder beiden Schmalseiten des Metallstabs (12) einteilig mit diesem verbundene, kammartig angeordnete hochgebogene Zinken (13) gebildet ist, die einen Winkel von 90° mit der Breitseite bilden.

9. Bauelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Zähne der Geradverzahnung des Metallstabs ein Evolventen-, Zykloiden-, Kreisbogen- oder U-Profil mit senkrechten oder geneigten Zahnflanken besitzen.

10. Verwendung des Bauelements nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9 als Halterung für Stoßstangen von Kraftfahrzeugen.

11. Verwendung des Bauelements nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9 für den Einbau im Bereich der Knautschzonen vor und hinter der Fahrgastzelle von Kraftfahrzeugen.

12. Verwendung des Bauelements nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9 für die Speichen von Lenkrädern.