DE4127652A1 - Nach dem stuelpprinzig arbeitendes deformationselement - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein nach dem Stülpprinzip arbeitendes Deformations­ element gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Derartige Deformations­ elemente, wie sie aus der DE-AS 12 32 363 bekannt sind, dienen bei Einsatz in Kraftfahrzeugen zur Verzögerung desselben beispielsweise bei einem Frontal­ aufprall, um durch relativ allmähliches Abbremsen insbesondere kritische Verformungen der Fahrgastzelle zu verhindern. Die Umsetzung von kinetischer Energie in Verformungsarbeit erfolgt dabei durch Rückstülpen des Deformations­ rohres über das entsprechend gewählte Stülpprofil an einem starren Anschlag für zumindest ein Ende des Deformationsrohres.

Ein Nachteil der bekannten gattungsgemäßen Deformationselemente besteht darin, das alle ihre Bestandteile unverschwenkbar zueinander auf einer ge­ meinsamen Längsachse liegen. Dies kann schon deshalb nachteilig sein, weil Deformationsrohre nur dann eine gezielte Deformation sicherstellen, wenn die zu dämpfenden bzw. hinsichtlich ihrer Wirkung zu verzögernden Kräfte in Richtung der Längsachse des Deformationsrohres verlaufen. Bei schräg dazu gerichteten Kräften besteht dagegen die Gefahr des Ausknickens des Deformationsrohres, wodurch dieses eine Kraft-Weg-Kennung erhält, die in unerwünschter Weise zunächst einen steilen Kraftanstieg und danach einen steilen Kraftabfall zeigt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Deformations­ element zu schaffen, das hinsichtlich seines Einbaus flexibel und an auf­ tretende Kraftrichtungen anpaßbar ist. Aufgabe der Erfindung ist auch die Schaffung einer unter Verwendung derartiger Deformationselemente aufgebauten Trägeranordnung, die mit unter Winkeln zu den Längsachsen der Deformations­ rohre verlaufenden Kräften beaufschlagbar ist.

Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe besteht in einem Deformationselement mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 bzw. einer Träger­ anordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8; vorteilhafte Ausbildungen des erfindungsgemäßen Deformationselements beschreiben die Unteransprüche.

Im Prinzip ermöglicht die Erfindung also eine schräge Einstellung von Stülp­ profil bzw. Halterung des Anschlags relativ zur Längsachse des Deformations­ rohres. Dies wird in vorteilhafter Weise mit sehr einfachen, praktisch keinen zusätzlichen Platz erfordernden Maßnahmen erreicht. Dabei ist zu berück­ sichtigen, daß die so gebildeten Gelenke, enthaltend also jeweils ein Ende eines Deformationsrohres und den zugeordneten Anschlag bzw. auch dessen Halterung, zur gezielten Verformung des Deformationsrohres durch Rückstülpen ausgenutzt werden.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 und 2 in Längsschnitten Deformationselemente mit kugel- bzw. kugelschalenförmigen Stülpprofilen, die

Fig. 3, 4 und 5 ein erfindungsgemäßes Deformationselement mit kugelschalenförmigem, also konkavem Stülpprofil in verschiedenen Belastungszuständen, die

Fig. 6 und 7 zwei Ausführungen mit einem dem Stülpprofil zugeordneten Profilring,

Fig. 8 einen erfindungsgemäß ausgebildeten Gelenkstab mit Stülp­ profilen an beiden Enden eines Deformationsrohres, die

Fig. 9 und 10 eine unter Verwendung derartiger Deformations­ elemente aufgebaute Trägeranordnung bei unterschiedlicher Belastung, die

Fig. 11, 12 und 13 eine unter Verwendung eines kugel­ oder kugelabschnittförmigen Stülpprofils gewonnene Ausführungs­ form eines Deformationselements bei verschiedenartiger Belastung, die

Fig. 14 und 15 eine Möglichkeit zur Zusammenfassung ver­ schiedener Bestandteile des Deformationselements bei unterschied­ licher Belastung, die

Fig. 16 und 17 wiederum eine Trägeranordnung, aufgebaut aus erfindungsgemaß ausgebildeten Deformationselementen, und

Fig. 18 eine Ausführungsform, die als kombinierter plastischer Gelenkstab zu bezeichnen ist.

Sämtliche Figuren zeigen Längsschnitte. In sämtlichen Figuren bezeichnet F eine zur Deformation des Deformationsrohres durch Rückstülpen führende, in Richtung der Achse desselben verlaufenden Kraft, wie sie beispielsweise bei einem Crash eines Kraftfahrzeugs auftritt.

Betrachtet man nun Fig. 1, so erkennt man bei 1 das aus einem plastisch deformierbaren Material bestehende Deformationsrohr, dessen in der Figur linkem Ende der Anschlag 2 zugeordnet ist, der das im wesentlichen kugel­ förmige (konvexe) Stülpprofil 3 besitzt, zu dem auch das Randprofil 4 gehört. Die Wahl des Profils ist so getroffen, daß es in allen Längsschnitten den gleichen Verlauf besitzt und geeignet ist, den jeweils aufliegenden Bereich des Deformationsrohres 1 durch Erweiterung seines Radius zurückzustülpen, wie dies bei 5 angedeutet ist.

Zur Anpassung des Verlaufs der Achse 6 des Deformationsrohres 1 an die Richtung der jeweiligen Kraft besitzt der das Stülpprofil 3, 4 tragende Anschlag 7 in diesem Ausführungsbeispiel das kugelschalenförmige (konkave) Lagerprofil 8, das das Kugelprofil 9 des starren Lagerteils mit Abstand aufnimmt. In diesem Falle ist der Anschlag 7 aus einem gezogenen starren Blechteil herge­ stellt.

Der Abstand zwischen den Teilen 7 und 10 dient zur Aufnahme der elastischen Zwischenschicht 11 aus einem Gummimaterial, wodurch die Möglichkeit einer Verschwenkung des Deformationsrohres 1 entsprechend den Pfeilen 12 um beliebige quer zu seiner Längsachse 6 verlaufende Schwenkachsen 13, definiert durch die Krümmung des Anschlags 7, gegeben ist, ohne daß das Deformationsrohr 1 in unerwünschter Weise auf Knickung beansprucht wird. Für die Stabilität günstig ist die Lage der Schwenkachsen 13 gleichsam innerhalb des Rohres 1, d. h. in Fig. 1 rechts vom Randprofil 4.

Entsprechendes gilt für die Konstruktion nach Fig. 2, die sich von derjenigen nach Fig. 1 dadurch unterscheidet, daß das Deformationsrohr 20, wie bei 21 angedeutet, nach innen rückgestülpt wird. Der Anschlag 22 bildet demgemäß ein konkaves Stülpprofil 23, dagegen ein konvexes Lagerprofil 24, das von dem konkaven Lagerprofil 25 unter Bildung eines Zwischenraums umgeben wird, der ebenfalls mit einer elastischen Zwischenschicht 26 ausgefüllt ist.

Während das eben behandelte Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Schwenk­ barkeit zwischen Anschlag bzw. Stülpprofil einerseits und Lager für diesen andererseits vorsieht, zeigen die weiteren dargestellten Ausführungsbeispiele Möglichkeiten zur Verschwenkung des Deformationsrohres relativ zum Stülp­ profil.

In den Fig. 3, 4 und 5 ist eine erste Ausführungsform mit einem bei 30 vorgebördelten Deformationsrohr 31 und einem kugelschalenförmigen (konkaven) Stülpprofil 32 am starren Anschlag 33 gezeigt. Während Fig. 3 den Ausgangs­ zustand, also bei Fehlen einer kritischen Längskraft F, wiedergibt, bezieht sich Fig. 4 auf den Fall der teilweisen Deformation des Deformationsrohres 31. Man erkennt einen erheblich größeren rückgebogenen (in diesem Falle in das noch unverformte Deformationsrohr hineingestülpten) Bereich 34.

Sofern infolge des Einbaus des Deformationselements oder aber einer auf­ tretenden Querkraft im Sinne des Pfeiles 35 in Fig. 5 eine Verschwenkung des Anschlags 33 relativ zur Längsachse 36 des Deformationsrohres 31 auftritt, hat dies keine Auswirkung auf die Verformung desselben, da infolge der in jeder Richtung rotationssymmetrischen Form des Stülpprofils 32 nach wie vor eine Kraftbeaufschlagung des Deformationsrohrs 31 in Richtung seiner Längsachse 36 auftritt.

Dies hat besondere Bedeutung für den Fall, daß Teil 33 Bestandteil eines - in der Zeichenebene verlaufenden - starren Stoßstangenträgers ist, dessen Verformung bei einem Crash zu der gezeichneten Schrägstellung des Anschlags 33 führt. Die gelenkige Verbindung des Anschlags 33 mit einem sich an das Deformationsrohr 31 anschließenden Längsträger schützt diesen vor hohen Biegebeanspruchungen bei der Verformung des Stoßstangenträgers.

Auch in dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 ist dem dort linken Ende des Deformationsrohres 60 ein kugelschalenförmiges Stülpprofil 61 am starren Anschlag 62 zugeordnet.

Zur Verringerung des Stülpradius ist zusätzlich der Profilring 63 vorgesehen, dessen wirksames Profil 64 einen erheblich kleineren Radius als das eigentliche Stülpprofil 61 besitzt und der jeweils hinsichtlich des Stülpvorgangs wirksamen Zone des Stülpprofils 61, also hier der Zone 65, radial gegenüber steht.

Durch diesen Profilring 63 werden kleinere Stülpradien erzeugt als allein mit den anhand der Fig. 3, 4 und 5 beschriebenen Maßnahmen.

Wie Fig. 7 zeigt, kann eine Konstruktion analog zu derjenigen nach Fig. 6 auch in dem Falle getroffen werden, indem ein Stülpvorgang des dort mit 70 bezeichneten Deformationsrohres radial nach außen mittels eines kugel­ förmigen (konvexen) Stülpprofils 71 des Anschlags 72 hervorgerufen wird; auch hier kann ein Profilring 73 vorgesehen sein, dessen Profil 74 wieder der gerade wirksamen Zone 75 etwa radial gegenüber liegt.

Fig. 8 dient zur Veranschaulichung der universellen Einsetzbarkeit des erfindungsgemäßen Deformationselements. Bei 80 erkennt man ein Deformations­ rohr, dessen beide Endbereiche, wie bei 81 und 82 dargestellt, durch Ver­ ringerung ihrer Querabmessungen in den unverformten Bereich des Deformations­ rohres 80 hineingestülpt werden. Dazu dienen die beiden starren Anschläge 83 und 84, die beide kugelschalenförmige Stülpprofile 85 und 86 bilden. Während der Anschlag 83 starr gelagert ist, erfolgt die Lagerung des Anschlags 84 entsprechend dem anhand Fig. 2 erläuterten Ausführungsbeispiel unter Verwendung der elastischen Zwischenschicht 87. Die eigentliche Verschwenkbar­ keit des Deformationsrohres 80 wird jedoch durch die Ausbildung des Stülp­ profils 86 sichergestellt, während die elastische Zwischenschicht hier im wesentlichen andere Aufgaben übernimmt. Die beschriebenen Bestandteile dieses "Gelenkstabs" werden nämlich zusammengehalten durch das Zugband 88, so daß die elastische Zwischenlage 87 hier primär zur elastischen Lagerung und zur Verspannung des Zugbandes dient.

Wiederum eine andere Einsatzmöglichkeit der Erfindung, nämlich zur Bildung eines V-förmigen Trägerverbunds, zeigen die Fig. 9 und 10.

Betrachtet man zunächst Fig. 9, so erkennt man zwei Deformationselemente 90 und 91 des anhand der Fig. 3, 4 und 5 beschriebenen Aufbaus; die Stülp­ profile für die beiden Deformationsrohre 92 und 93 sind kugelschalenförmig und mit 94, 95, 96 und 97 bezeichnet. Diese beiden Deformationselemente 90 und 91 bilden ein etwa gleichseitiges Dreieck. Sobald nun - siehe Fig. 10 - eine kritische Belastung F auftritt, bleibt infolge starren Einbaus der Anschläge mit den Stülpprofilen 94 und 96 ihr Abstand gewahrt, jedoch tritt eine Verkürzung der Anordnung auf, die demgemäß eine Vergrößerung des Winkels zwischen den beiden Deformationsrohren 92 und 93 zur Folge hat. Wie sich zeigen läßt, läßt sich mit einer derartigen Anordnung ein kosinus­ förmiger Verlauf der Kraft-Weg-Kennung erzielen, da infolge der gewählten Ausbildung der Stülpprofile die Deformationsrohre nur auf Druck, das heißt in Richtung ihrer Längsachsen, beaufschlagt sind.

Die Fig. 11, 12 und 13 dienen nochmals zur Veranschaulichung des bereits in Fig. 7 angesprochenen Falls eines kugelförmigen, das heißt konvexen Stülpprofils 110 des Anschlags 111 für das Deformationsrohr 112, das bereits vor der lastbedingten Deformation mit einem rückgebördelten Bereich 113 auf dem Stülpprofil 110 aufliegt. Das bedeutet, daß beim Auftreten einer kritischen Belastung F in Richtung der Längsachse 114 des Deformationsrohres 112 am Stülpprofil 110 der Druchmesser des Rohres 112 aufgeweitet und dieses, wie bei 115 angedeutet, über den unverformten Bereich des Rohres 112 zurück­ gestülpt wird. Dieser Effekt stellt sich auch dann ein, wenn durch die Einbau­ verhältnisse oder durch Auftreten von Querkräften der Anschlag 111 gemäß Fig. 13 relativ zur Längsachse 114 des Deformationsrohres 112 verschwenkt ist oder verschwenkt wird.

Die Fig. 14 und 15 zeigen einen Einsatzfall eines nach diesem Prinzip aufgebauten Deformationselements. Das Deformationsrohr 140 liegt mit seinem in den Figuren oberen Ende auf dem kugelförmigen Stülpprofil 141 auf, das von dem starren Anschlag 142 getragen wird, der seinerseits unter Zwischenlage der elastischen Zwischenschicht 143 das starre Lagerteil 144 aufnimmt. An dem in den Figuren unteren Ende ist das Deformationsrohr 140 bei 145 starr eingespannt. Alle beschriebenen Teile sind mittels des Zugbandes 146 zu einer starren Einheit verbunden, die sich, wie Fig. 15 zeigt, unter dem Einfluß einer kritischen Kraft F durch den dann einsetzenden Stülpvorgang im Bereich des in den Figuren oberen Endes des Deformationsrohres 140 verkürzt.

Die Fig. 16 und 17 zeigen eine Trägeranordnung ähnlich derjenigen nach den Fig. 9 und 10 mit V- oder dreieckförmiger Anordnung von zwei erfindungs­ gemäß ausgebildeten Deformationselementen 160 und 161, deren Deformationsrohre 162 und 163 an beiden Enden mit vorgebördelten Bereichen auf kugelförmigen Stülpflächen 164, 165 und 166 aufliegen.

Während Fig. 16 die Konfiguration im unbelasteten Zustand zeigt, sind die beiden Deformationsrohre 162 und 163 in Fig. 17 unter der Wirkung der Kraft F bereits durch Rückstülpung verkürzt. Daß dabei sich der Winkel zwischen den beiden Deformationsrohren 162 und 163 vergrößert hat, ist hinsichtlich der Verformungsvorgänge bedeutungslos, da nach wie vor eine Beanspruchung in Achsrichtung vorliegt.

Fig. 18 schließlich zeigt einen Einsatzfall der Erfindung, der einen pla­ stischen Gelenkstab darstellt. Man erkennt zwischen den beiden starren An­ schlägen 180 und 181, die teils ein kugelförmiges, teils ein kugelschalen­ förmiges Stülpprofil 182 bzw. 183 tragen, das Deformationsrohr 184, dessen beide Enden, wie bei 185 und 186 dargestellt, bereits durch Stülpen verformt sind. Dabei erfolgt an dem Stülpprofil 182 ein Stülpen in Richtung nach außen, dagegen an dem Stülpprofil 183 ein Stülpen des entsprechenden Rohr­ bereichs in den unverformten Bereich des Deformationsrohres 184 hinein. Diese Konstruktion stellt einen einwandfreien Deformationsvorgang auch dann sicher, wenn die beiden Anschläge 180 und 131 parallel zueinander, also in der Zeichenebene nach oben oder unten bzw. nach vorn oder nach hinten, versetzt sind.

Mit der Erfindung ist demgemäß ein gattungsgemäßes Deformationselement oder ein unter seiner Verwendung aufgebautes Trägerwerk geschaffen, das weitgehend richtungsunabhängig arbeitet.

Claims (9)

1. Nach dem Stülpprinzip arbeitendes Deformationselement mit einem aus plastisch verformbarem Material bestehenden Deformationsrohr und einem ein derart gewähltes Profil (Stülpprofil) besitzenden Anschlag für ein Ende des Rohres, daß er bei Beaufschlagung des Rohres mit einer in Richtung der Längsachse desselben verlaufenden, zu dämpfenden Kraft eine fortlaufende Rückstülpung desselben unter Änderung des Rohrdurchmessers sicherstellt, dadurch gekennzeichnet, daß das Stülpprofil (32) und/oder die Lagerung des Anschlags (7) zumindest begrenzte allseitige Schwenkbewegungen des Rohres (1, 31) quer zu seiner Längsache (6, 36) um fiktive anschlagseitige Querachsen zulassend ausgebildet ist.

2. Deformationselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerung zwischen einem starren Lagerteil (10) und dem Anschlag (7) ela­ stische Mittel (11) enthält.

3. Deformationselement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen einem Kugelprofil (9) am starren Lagerteil (10) oder am Anschlag (7) und einem dieses aufnehmenden Kugelschalenprofil (8) am Anschlag (7) bzw. am starren Lagerteil (10) eine elastische Zwischenschicht (11) vorge­ sehen ist.

4. Deformationselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Stülpprofil (71, 61) kugel- oder kugelschalenförmig mit größerem Durch­ messer als das Deformationsrohr (70, 60) ausgebildet ist, das sich mit einem in Richtung der Stülpverformung vorgebördelten Endbereich darauf abstützt.

5. Deformationselement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß beiden Enden des Deformationsrohres (80) Anschläge (83, 84) zugeordnet und diese über ein das Deformationsrohr (80) durchsetzendes flexibles Zugorgan (88) verbunden sind.

6. Deformationselement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß dem Anschlag (62) ein auf dem Stülpprofil (61) gleitender Profilring (63) zugeordnet ist, dessen Profil (64) einen kleineren Krüm­ mungsradius als das Stülpprofil (61) besitzt und der auf dem der gerade stülpwirksamen Zone (65) des Stülpprofils (61) radial gegenüberliegenden Bereich des Deformationsrohres (66) aufliegt.

7. Deformationselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einem Ende des Deformationsrohres (184) ein Anschlag (180) mit kugelförmigem Stülpprofil, dagegen dem anderen Ende ein Anschlag (181) mit kugelschalen­ förmigem Stülpprofil zugeordnet ist.

8. Unter Verwendung von Deformationselementen nach einem der Ansprüche 1 bis 7 aufgebaute Trägeranordnung, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Defor­ mationsrohre (92, 93), deren beiden Enden Schwenkbewegungen zulassend ausgebildete bzw. gelagerte Anschläge zugeordnet sind, eine Anordnung nach Art eines eines gleichschenkligen oder gleichseitigen Dreiecks bilden.

9. Unter Verwendung von Deformationselementen nach einem der Ansprüche 1 bis 7 aufgebaute Trägeranordnung, dadurch gekennzeichnet, daß das Stülp­ profil (32) Bestandteil eines biegesteifen Stoßfängerträgers eines Kraft­ fahrzeugs ist und das Deformationsrohr (31) eine begrenzt gelenkige Ver­ bindung mit einem sich anschließenden Längsträger bildet.