DE4134545C2 - Energieabsorptionselement - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Energieabsorptionselemente gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Beim Transport von Lasten oder Personen sind Stöße unvermeidbar, die abgefangen werden müssen, damit das Transportgut keinen Schaden leidet. Dazu ist es notwendig, die Stoßenergie so zu transformieren, daß die verbleibende Einwirkung auf das Transportgut möglichst gering ist. Ein möglicher Weg ist die Verwendung von Stoßdämpfern, die durch Federwirkung die Energie speichern und über einen längeren Zeitraum, der durch die Schwingungsdauer gegeben ist, abgeben, so daß der Stoß gemindert wird. Ein besseres Auffangen von Stößen wird aber erreicht, wenn die Stoßenergie in eine nichtmechanische Energie umgewandelt wird. Derartige Systeme bezeichnet man als Energieabsorptions­ systeme. Die Energieabsorption wird dabei durch ein oder mehrere Absorptions­ elemente ermöglicht.

Da bei Automobilen Schäden infolge von Stößen bei höheren Geschwindigkeiten besonders groß sind, werden dort häufig Energieabsorptionselemente eingesetzt. Die Energie wird z. B. in sogenannten Knautschzonen aufgenommen, wenn ein Zusammenstoß erfolgt, so daß die Insassen des Automobils geschützt sind. Neben bisher üblichen Knautschzonen lassen sich Energieabsorptionssysteme auch bei Stoßstangen, Knieschutz und Flankenschutz einsetzen. Zusätzlich können neben dem Personenschutz auch größere Schäden am Kraftfahrzeug selbst vermieden werden.

Andere Einsatzmöglichkeiten von Energieabsorptionselementen sind seitliche Schutzleisten an Schiffsbordwänden, Prellböcke für Eisenbahnen, Sicherheits­ absperrungen an Skipisten und Rennbahnen, Leitplanken, Transportsicherung von hochempfindlichen Teilen oder in der Luftfahrttechnik, wie z. B. Energie­ absorptionselemente an Hubschrauberkufen, Bodenkonstruktionen von Flugzeug­ rümpfen.

Aus der Literatur sind verschiedene Arten von Energieabsorptionssystemen bekannt. Bei Sicherheitsgurten kann man z. B. die Energieabsorption gemäß den Patentschriften US 38 04 698 oder GB-A 21 91 560 durchführen, indem eine Schlaufe in dem Gurt aufgerissen wird, die entweder geklebt oder genäht ist. Die Druckschrift GB-B 14 19 301 offenbart unter anderem auch eine Gurthalterung, bei der die Energie durch Abreißen von Material absorbiert wird. Diese von Sicherheitsgurten her bekannten Techniken sind auf andere Anwendungen, wie z. B. beim Abfang von Stößen an Stoßstangen nicht ohne weiteres übertragbar. Bei Anwendungen, bei denen zwei Teile verbunden sein sollen, ist es bekannt, die Energie durch Verbiegung und Verformung von Material, z. B. durch Biegeverfor­ mung in einem Stülpvorgang zu absorbieren. Derartige Energieabsorptionsele­ mente sind aus der US 31 46 014, der DE 36 17 099 C2, der US 35 11 345, der DE-OS 22 13 323, der DE 37 11 692 A1 und der GB 7 52 017, aber auch aus der schon genannten GB-B 14 19 301 bekannt.

In den genannten Anordnungen werden Verformungselemente unter hohem Energieverbrauch, und zwar in einem Roll-Biegevorgang, umgeformt. Dies ist nachteilig, da die Verformungselemente nicht wieder verwendet werden können. Wünschenswert wären Energieverformungselemente, bei denen die meisten Teile auch bei einem starken Stoß unbeschädigt bleiben, so daß sie weiterverwendet werden können. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß diese Elemente für die zuverlässige Funktion des Roll-Biege Vorgangs eine Mindest-Wandstärke benötigen, damit das Verformungsmaterial nicht durch unkontrolliertes Beulen ausweicht; kleine Stoßenergien sind hiermit also nicht absorbierbar. Außerdem ist nachteilig, daß sich die Verformungselemente bei einem nicht frontalen Stoß nur undefiniert verbiegen, so daß die Energieabsorption teilweise unbestimmt ist.

Andere Nachteile werden offensichtlich, wenn man die heute übliche Ausführung von Stoßstangen betrachtet. Die Verformungselemente werden an zwei Stellen in Trägern zwischen der Stoßstange und den Fahrzeuglängsträgern eingesetzt. Da die Krafteinleitung zwischen Karosserie und Stoßstange nur über zwei Stellen erfolgt, müssen die Stoßstangen als möglichst biegesteife Träger aufgebaut sein, damit auch seitliche Stöße aufgenommen werden. Die Karosserie des Fahrzeugs muß außerdem dort sehr stark sein, wo die Verformungselemente an dem Fahrzeug angebracht sind, da sich alle Stoßkräfte auf diese beiden Punkte konzentrieren.

Die Konzentration der Energieabsorption auf nur zwei Punkte zur Übertragung des Stoßes zwischen Stoßstange und Fahrzeug macht Stoßstangen mit hoher Biegefestigkeit und stark dimensionierten Krafteinleitungsstellen in der Fahrzeugkarosserie erforderlich. Dies bewirkt neben hohem Materialverbrauch ein hohes Gewicht der für die Stoßabsorption verwendeten Teile. Eine Gewichts­ einsparung ist besonders wünschenswert, da sich damit der Energiebedarf eines Kraftfahrzeugs herabsetzen läßt. Besonders deutlich wird diese Problematik bei Elektroautos, die immer noch schwergewichtige Batterien benötigen, so daß sich jede Gewichtsreduktion am Fahrzeug vorteilhaft auswirkt. Ein Leichtbau ohne Verzicht auf Sicherheit ist daher wünschenswert. Dieselben Argumente gelten hier natürlich auch für den Flugzeugbau, wo auch Gewicht und Leistung in einem günstigen Verhältnis stehen sollen.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines neuen Energieabsorbers, der auch in Leichtbau herstellbar ist.

Die Aufgabe wird durch ein mechanisches Energieabsorptionselement gemäß dem Hauptanspruch gelöst.

In einem erfindungsgemäßen Energieabsorptionselement wird die Energie nicht durch Verformung absorbiert, sondern dadurch, daß durch Verschiebung zweier Teile bzw. Profile gegeneinander ein Materialstreifen von der Oberfläche eines Elementes abgelöst wird. Der Materialstreifen ist z. B. durch Kleben, Schweißen oder Nieten befestigt. Das Ablösen des Materialstreifens benötigt Energie, wodurch die Stoßenergie aufgebraucht wird. Der Materialstreifen besteht aus biegeweichem und reißfestem Material. Da in erfindungsgemäßen Energie­ absorptionselementen die Verformung für die Energieaufnahme nicht entschei­ dend ist, können verschiedenste Materialien vorteilhaft eingesetzt werden. Diese Eigenschaft kommt dem Leichtbau besonders zugute und ermöglicht außerdem Kostenreduktion. Erfindungsgemäß sind die Materialstreifen mit einem der beiden beweglichen Elemente oder Profilen flächig verbunden. Das bedeutet für das obige Beispiel, nämlich der Verwendung für eine Stoßstange, daß man eine Stoßkraft zwischen Stoßstange und Fahrzeug nicht punktförmig, sondern über die ganze Länge der Stoßstange linienförmig übertragen kann.

Ein erfindungsgemäßes Energieabsorptionselement ist so herstellbar, daß eine Reparatur besonders kostengünstig ist, da bei genügender Stabilität der gegeneinander beweglichen Profile oder Teile nur der Materialstreifen abgelöst wird. Das bedeutet, daß nach einem Unfall im Extremfall nur diese Materialstreifen ausgetauscht werden müssen, was entsprechend billig wird, wenn man aus der Vielfalt der erfindungsgemäß möglichen Materialien eine besonders kostengünstige Auswahl trifft. Auf die gleiche Art und Weise läßt sich auch das Recyclingproblem verringern.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Unteransprüchen angegeben.

Durch Wahl einer speziellen Form der Fläche der Verbindung des Material­ streifens mit einem der beiden verschiebbaren Profile, kann gemäß einer Weiterbildung der Erfindung eine Abhängigkeit der zum Verschieben nötigen Kraft von dem Abstand der Profile vorgegeben werden. Dies ist besonders vorteilhaft, da man verschiedene Kraft-Wegverläufe je nach Anforderung wählen kann.

Auch die Verwendung mehrerer Materialstreifen an verschiedenen Seiten der beweglichen beiden Profile ermöglicht eine Einstellung der Kraftverhältnisse in den übrigen Richtungen quer zur Verschieberichtung.

Gemäß einer weiteren Fortbildung der Erfindung eignen sich für die Material­ streifen auch Faserverbundwerkstoffe. Hier kann man die Kraftverhältnisse konstruktiv durch einen weiteren Parameter bestimmen. Die Kraft ist nämlich nicht nur vom Fasermaterial und der Matrix abhängig, sondern wird im allgemeinen auch durch die Faserrichtung bestimmt.

Bei der Leichtbauweise sollen auch die bei der Energieabsorption bewegten Profile möglichst leicht und dennoch stabil ausgeführt werden. Deshalb ist es zweckmäßig, Drucksteifigkeit erhöhende Maßnahmen anzuwenden, wie z. B. die Ausbildung von Sicken in den Profilwänden.

Erfindungsgemäß ist es möglich, Energieabsorptionselemente sowohl für Druckbelastung als auch für Zugbelastung herzustellen. Dazu müssen Material­ streifen in entsprechender Ausrichtung und entsprechender Ablöserichtung angeordnet werden. Es ist aber auch durch unterschiedlich wirkende Material­ streifen in einem einzigen Energieabsorptionselement möglich, dieses sowohl für Druckbelastung als auch für Zugbelastung auszulegen.

Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Zusammenhang mit der Zeichnung und den Ansprüchen. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des Prinzips der erfindungsgemäßen Energieabsorption im Zustand vor einem Stoß;

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Energieabsorptionselements gemäß Fig. 1 nach Auffangen eines Stoßes;

Fig. 3 einen Schnitt durch ein Energieabsorptionselement mit zwei symmetrisch angeordneten Materialstreifen;

Fig. 4 ein erfindungsgemäßes Energieabsorptionselement mit Sicken zur Versteifung;

Fig. 5 ein Energieabsorptionselement wie in Fig. 3, jedoch mit unter­ schiedlicher Anbringung der Materialstreifen;

Fig. 6 ein Energieabsorptionselement wie in Fig. 3, jedoch für die Anwendung bei Zugkräften;

Fig. 7 ein Energieabsorptionselement wie in Fig. 6, jedoch mit einer unterschiedlichen Anbringung der Materialstreifen;

Fig. 8 ein Energieabsorptionselement wie in Fig. 3, jedoch mit einem gekröpften Profil zum Zwecke der Stabilisierung;

Fig. 9 ein Energieabsorptionselement wie in Fig. 8, jedoch mit zusätzlicher Gleitschicht auf den Materialstreifen, um die Reibung auf der Material­ streifenoberfläche zu verringern;

Fig. 10 verschiedene Kraft-Weg-Verläufe bei Energieabsorptionselementen in Abhängigkeit von der Form der Verbindungsfläche zwischen dem Materialstreifen und einem Verbindungsteil;

Fig. 11 ein Teilelement einer erfindungsgemäßen Stoßstangenkonstruktion;

Fig. 12 einen Schnitt durch das Teilelement gemäß Fig. 11;

Fig. 13 eine erfindungsgemäße Stoßstange mit Teilelementen und Zwischen­ elementen:

• a) Stoßstange vor einem Stoß,
• b) Stoßstange nach einem Stoß;

Fig. 14 den Aufbau eines Zwischenelementes für eine Stoßstange gemäß Fig. 11, 12 und 13;

Fig. 15 eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Stoßstange nach Fig. 13 unter Vermeidung von Zwischenelementen;

Fig. 16 ein Ausführungsbeispiel für die Verwendung eines Energieabsorptions­ elements zum Einbau in ein Kranseil;

Fig. 17 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung für die Verwendung eines Energieabsorptionselements als Prallbox in einem Automobil vor einem Zusammenstoß;

Fig. 18 eine Prallbox gemäß Fig. 17 nach einem Zusammenstoß;

Fig. 19 ein kombiniertes Schäl/Knautschelement für Kraftfahrzeuge mit erfindungsgemäßen Schälelementen;

Fig. 20 ein kombiniertes Schäl/Knautschelement gemäß Fig. 19 nach einem Zusammenstoß bei etwa 8 km/h;

Fig. 21 ein kombiniertes Schäl/Knautschelement gemäß Fig. 19 nach einem Frontalzusammenstoß bei etwa 55 km/h.

Ein erfindungsgemäßes Energieabsorptionselement besteht aus zwei Profilen, die gegeneinander verschiebbar sind. Dies ist in Fig. 1 schematisch dargestellt, die ein in einem Außenprofil 2 beweglich gelagertes Innenprofil 1 zeigt. Wenn das Außenprofil 2 im Innenprofil 1 geführt ist, gibt es nur eine Richtung, in der sich das Innenprofil 1 verschieben kann. In der Skizze sind die wirklichen Verhältnisse überzeichnet, um die Funktionsweise des Energieabsorptions­ elements deutlicher darstellen zu können.

Das Innenprofil 1 ist über einen Materialstreifen 3 mit dem Außenprofil 2 verbunden, wobei der Materialstreifen 3 an der gesamten überdeckten Seiten­ fläche des Innenprofils 1 befestigt ist. Für eine praktische Ausführung wird diese Befestigung z. B. durch Kleben, Schweißen oder Nieten erreicht. Das Spiel zwischen Innen- und Außenprofil wird genügend klein gestaltet, so daß der Materialstreifen 3 den Zwischenraum zwischen den beiden Profilen 1 und 2 fast voll ausfüllt und der Bewegungsspielraum nahezu Null wird. Zum Verschieben des Innenprofils 1 in das Außenprofil 2 muß nun eine Kraft aufgewendet werden, die ausreicht, um den Materialstreifen 3 von der Verbindungsfläche auf dem Innenprofil 1 abzulösen. Die Wirkungsweise wird besonders deutlich, wenn man Fig. 2 betrachtet, die das Energieabsorptionselement gemäß Fig. 1 nach einer Krafteinwirkung in Pfeilrichtung gemäß Fig. 1 zeigt. Aus Fig. 2 wird im Vergleich mit Fig. 1 deutlich, daß ein Großteil der Materialschicht vom Innenprofil abgelöst wurde. Die zur Ablösung benötigte Energie ist diejenige Energie, die beim Ineinanderschieben der Teile absorbiert wurde. Im Gegensatz zum genannten Stand der Technik wird hier die Energie im wesentlichen durch die Ablösearbeit der Klebe-, Schweiß- oder genieteten Verbindungsfläche bestimmt, anstatt durch Verformungsarbeit steifer Metallstücke wie beim Stand der Technik. Daß hier auch wesentlich größere Kräfte mit sehr geringerer Materialstärke aufgenommen werden können, wird deutlich, wenn man bedenkt, daß das Außenprofil 2 und entsprechend das Innenprofil 1 beliebig tief sein können, da es dem Wesen der Erfindung entspricht, eine flächige Befestigung anstatt punktförmiger Befestigungen vorzusehen, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind. Eine weitere Möglichkeit zur Erhöhung der Energieabsorptionsfähigkeit ergibt sich, wenn mehrere Materialstreifen übereinander liegend vorgesehen sind, die sich beim Ineinanderschieben des Innenprofils 1 in das Außenprofil 2 voneinander ablösen, was zu einer zusätzlichen Energieabsorption führt.

Wird die Aufgabe gestellt, einen Stoß besonders sanft mit besonders kleiner Kraft zu absorbieren, kann der Materialstreifen (3) beim dem erfindungsgemaßen Absorptionselement beliebig dünn ausgeführt werden, wobei er sich wegen der flächigen Anbringung nicht unkontrolliert durch Beulen der Energieabsorption entziehen kann, wie es der Fall bei den Elementen nach dem Stand der Technik wäre.

In Fig. 3 ist ein weiteres Beispiel für ein Energieabsorptionselement gezeigt, welches sich dadurch vom vorherigen Beispiel unterscheidet, daß das rechteckförmige Innenprofil 1 in dem U-förmigen Außenprofil 2 mit Hilfe von zwei Materialstreifen 3 befestigt ist. Diese symmetrische Ausbildung der Materialstreifen sorgt dafür, daß die Kräfte symmetrisch zur Bewegungsrichtung übertragen werden, was eine kontrollierbarere Energieabgabe erlaubt. Das Anbringen von zwei Materialstreifen statt eines einfachen Streifens 3 hat den weiteren Vorteil, daß doppelt soviel Energie aufgenommen werden kann.

Fig. 4 zeigt ein Anwendungsbeispiel in perspektivischer Darstellung. Das Innenprofil 1 ist wieder in dem Außenprofil 2 verschiebbar gelagert. Die Material­ streifenstücke 3 halten das Innenprofil 1 in seiner Position zum Außenprofil 2. Zur Verbesserung der Druckaufnahmefähigkeit sind das Innen- und das Außen­ profil mit Sicken 5 und 6 versehen. Durch diese sind die Profile 1 und 2 versteift, so daß die Profile 1 und 2, obwohl in Leichtbauweise hergestellt, trotzdem hohe Kräfte aushalten können. Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 funktioniert in gleicher Weise wie die oben diskutierten Ausführungsbeispiele gemäß Fig. 1, 2 und 3, wonach nämlich ein Hineinschieben des Innenprofils 1 in das Außenprofil 2 nur möglich ist, wenn sich das Materialstreifenstück 3 von dem Innenprofil 1 ablöst, wodurch die für das Ablösen nötige Energie der wirksamen Kraftein­ wirkung entzogen bzw., daß dieser Anteil der Stoßenergie absorbiert wird.

Die schematische Darstellung gemäß Fig. 5 entspricht im wesentlichen derjenigen gemäß der Fig. 3. Dabei ist wieder ein Innenprofil 1 in einem Außen­ profil 2 verschiebbar geführt. Am Innenprofil 1 sind beiderseite Materialstreifen 3 gehaltert, die an der Innenfläche des Außenprofils 2 ablösbar befestigt sind. Die Materialstreifen 3 werden durch Hineinschieben des Innenprofils 1 von der Wand des Außenprofils 2 abgelöst. Dadurch entsteht ein Widerstand gegen das Hineinschieben und die zum Ablösen benötigte Energie wird dem in Pfeilrichtung wirkenden Stoß oder der Druckkraft entnommen.

Entgegengesetzt zu den vorher besprochenen Beispielen, bei denen die Material­ streifen 3 einer Druckeinwirkung auf das Energieabsorptionselement einen Widerstand entgegensetzen, sind in Fig. 6 und Fig. 7 zwei Beispiele gezeigt, die für eine Zugkraft wirksam sind. Die Funktionsweise ist die gleiche wie bei Fig. 3 und Fig. 5. Der unterschiedlichen Kraftwirkungsrichtung wird dadurch Rechnung getragen, daß die Material­ streifen bezüglich der Abzugsrichtung umgekehrt angeordnet sind.

Eine weiter verbesserte Ausführungsform des Energieabsorptionselements gemäß Fig. 3 ist in Fig. 8 gezeigt. Das Außenprofil ist ebenfalls U-förmig ausgebildet, jedoch ist zusätzlich eine Kröpfung 8 vorgesehen. Diese bewirkt, daß die beim Hineinschieben des Rechteckprofils 1 auftretende Druckbelastung die Schenkel nach innen zieht, so daß diese sich an das Innenprofil 1 anlegen und daran abstützen. Eine solche Maßnahme ist zur Stabilisierung besonders wichtig, wenn das Außenprofil 2 in Leichtbautechnik dünn und leicht ausgeführt ist. Dieses Abstützen der U-förmigen Schenkel sorgt weiterhin dafür, daß eine Reibung zwischen dem Außenprofil 2 und dem am Innenprofil 1 anliegenden Material­ streifenteilen 3 auftritt. Die Reibung kann vorteilhaft sein, wenn sie zu einer weiteren Absorption von Energie führt. Als nachteilig wird angesehen, wenn die Reibung zu groß wird und zu einer unerwünschten Materialbelastung führt. Für diesen Fall wird, wie aus Fig. 9 hervorgeht, eine zusätzliche Gleitschicht 9 auf den Materialstreifen 3 angebracht. Es kann auch eine zusätzliche Gleitfolie eingebaut werden, um die Reibungsverluste geringer zu halten.

Werden die Profile 1 und 2 aus sehr dünnem Material hergestellt, was unter Verwendung von Sicken (Fig. 4) und Kröpfung (Fig. 8 und 9) möglich ist, dann ist das Absorptionselement biegeweich quer zur Kraftrichtung. Es kann gerade gefertigt, aber gekrümmt eingebaut werden. Endlosmaterial kann für den Transport aufgerollt werden.

Aus den vorher besprochenen schematischen Beispielen ergibt sich bereits, daß die Ausführung der Erfindung eine Leichtbauweise zuläßt und eine erhebliche Gewichtseinsparung möglich macht. Weiterhin ergibt sich durch die flächige Energieabsorption auch keine Kraftkonzentration an zwei Befestigungspunkten wie nach dem Stand der Technik. Deshalb können auch Materialien minderer Qualität verwendet werden. Da die Verformung erfindungsgemäß keinen wesentlichen Beitrag zur Energieabsorption leistet, können als Materialstreifen außer Stahl und Aluminiumblechen auch Faserverbundwerkstoffe und Thermo­ plaste verschiedenster Art benutzt werden.

Aus Fig. 10 wird eine weitere positive Eigenschaft deutlich, die ihre Ursache in der flächenhaften Anbringung des Materialstreifens hat. Die Befestigung kann durch Kleben, Schweißen, Nieten erfolgen. Die linke Seite der Fig. 10, also die Beispiele a, b, und c, befaßt sich mit flächenmäßigen Befestigungen, wie sie durch Kleben hergestellt werden können. Unter der Spalte "Klebefläche" ist der Verlauf des Materialstreifens durch eine geschlaufte Linie gezeigt, wie in den vorherigen schematischen Darstellungen, wobei der Pfeil anzeigt, in welche Richtung der Materialstreifen abgezogen wird. Die Beispiele a, b und c verdeutlichen, daß bei verschiedenen Flächenformen der Kraft-Weg-Verlauf unterschiedlich gestaltet werden kann. Bei einer gleichbleibenden Flächenbreite (Fig. 10a) wird auch eine gleichbleibende Ablösekraft über den gesamten Weg erreicht. Ist der beim Ausüben einer Druck- oder Zugkraft zuerst abgelöste Flächenteil größer (Fig. 10b) als zu einem späteren Zeitpunkt, so wird auch die Ablösekraft am Anfang einen deutlich höheren Betrag annehmen. In gleicher Weise kann man durch das Ablösen einer zunächst kleineren Fläche und später einer größeren Fläche einen Verlauf der Ablösekraft erzielen (Fig. 10c), wobei die Kraft zuerst kleiner ist und dann ansteigt, d. h. mit zunehmenden Weg wird der Ablösung ein höherer Wider­ stand entgegengesetzt. Die variierende Ablösekraft kann auch durch die Verwen­ dung unterschiedlicher Haftführung der verwendeten Kleber gesteuert werden. Dadurch ergibt sich eine weitere vorteilhafte Anwendung der Erfindung.

Durch Auswahl derartiger Kraft-Weg-Charakteristiken kann man verschiedene Kraftprofile über die verschiedenen Flächenformen erreichen. Diese Anwendung ist besonders interessant, da die an dem Energieabsorptionselement angreifenden mechanischen Elemente ja auch unterschiedliche Trägheit haben können und somit dem Stoß unterschiedlich stark nachgeben. Deshalb kann es angebracht sein, die Energieabsorption durch einen gezielten Verlauf der benötigten Ablösekraft zu optimieren.

Bei der vorausgehenden Diskussion wurde die Befestigung mit Nieten ausgeschlossen. Der Grund hierfür ist durch die Graphik gemäß Fig. 10d verdeutlicht. Da Nieten eine diskontinuierliche Befestigung bedingen, wird sich beim Ablösen oder Abreißen eines angenieteten oder angeschweißten Material­ streifens ein stufiges Kraft-Weg-Verhalten einstellen. Das bedeutet, daß die kontinuierlichen Kraft-Weg-Verläufe der gezeigten Beispiele 10a, 10b und 10c mit Punktschweißungen oder Nieten nicht verwirklicht werden können.

Ein stufiges Verhalten kann auch dann erreicht werden wenn mehrere, verschieden lange Materialstreifen übereinanderliegen, die sich beim Schälvorgang nicht nur von der Wand, sondern auch von dem jeweils darunter­ liegenden Streifen ablösen, wodurch eine zusätzliche Energieabsorption erfolgt. Dieses Beispiel ist in Fig. 10e schematisch dargestellt. Auch ein ungleichmäßiger Aufbau des Materialstreifens ist von Vorteil, da z. B. durch Dickenänderung, Materialzusammensetzung bzw. Lagenzahländerungen eine zusätzliche Verformungsarbeit eingeführt und zur Wirkung gebracht werden kann.

Nach den bisherigen grundsätzlichen Betrachtungen zum Aufbau von Energieabsorptionselementen werden im folgenden vier Beispiele gezeigt, bei denen der praktische Aspekt für die Ausgestaltung von Energieabsorptions­ elementen im Vordergrund steht. Zur besseren Beschreibung werden zwei neue Ausdrücke eingeführt: Der Materialstreifen, der sich bei Zug oder Druck von der Profilwand ablöst bzw. von der Wand abschält, wird im folgenden Schälelement genannt. Die mit den Materialstreifen belegten Wände der Außen- oder Innen­ profile gemäß der vorangegangenen Beispielen werden Schälwand genannt.

In den Fig. 11 bis 15 ist eine Verwendung des erfindungsgemäßen Energie­ absorptionsprinzips für Stoßstangen dargestellt. Das in Fig. 11 gezeigte Stoßstangensegment 20 wird zum Aufbau einer Stoßstange gemäß Fig. 13 verwendet. Fig. 12 zeigt einen Schnitt durch das Stoßstangensegment 20.

Die aus mehreren Segmenten 20 aufgebaute Stoßstange wird durch Einsetzen in ein Karosserie-C-Profil 32 am Fahrzeug befestigt. Das Karosserie-C-Profil 32 muß die Steifigkeit und Festigkeit aufweisen, die sich aus den Anforderungen an die Karosserie ergeben. Aus Fig. 11 ist schon zu entnehmen, daß die Stoßstange in die Karosserie speziell über das Karosserie-C-Profil 32 integriert ist, so daß sich die Kräfte besser als bei einer an zwei Punkten gehaltenen Stoßstangen­ konstruktion nach dem Stand der Technik verteilen.

Die Stoßstange besteht aus in das Karosserie-C-Profil eingesteckten Teilelementen. Dies erlaubt eine einfache Reparatur nach einem Zusammenstoß, da nur das beschädigte Teilelement ausgewechselt werden muß. Üblicherweise wird eine Stoßstange so ausgelegt, daß sie kleine Stöße bis 8 km/h auffangen kann. Während aber bei Stoßstangen nach dem Stand der Technik bei solchen Stößen die gesamte Stoßstange ausgetauscht werden muß, genügt bei diesem Ausführungsbeispiel ein Austausch eines Teilelements.

Das Teilelement besteht aus einem Gummiprofil 22, einem Stoßstangenkörper 24, einer Querwand 28, Schälelementen 34 und Schälwänden 30. Das Gummiprofil 22 ist elastisch zur Aufnahme sehr geringer Stöße ausgebildet. Statt aus Gummi wie im Beispiel kann das Profil aber auch aus anderen elastischen Materialien gefertigt sein.

Das Gummiprofil hat Aussparungen 23, mit welchen es am Stoßstangenkörper 24 verrastet ist. Dazu sind am Stoßstangenkörper 24 abstehende Befestigungs­ schienen angebracht.

Der Stoßstangenkörper 24 ist durch eine Querwand 28 gegen Drücke von oben und unten versteift. Weiter ist der Stoßstangenkörper durch Sicken 26 in Stoßrichtung versteift und sollte so stabil ausgeführt sein, daß Stöße ohne Eigendeformation auf das Energieabsorptionselement übertragen werden. Die Querwand 28 kann verhältnismäßig schwach dimensioniert sein und entsprechend leicht gebaut, da sie kaum Kräfte aufnimmt.

An dem Stoßstangenkörper 24 ist ein Randstreifen der Schälelemente 34 befestigt, die mit ihrem wesentlichen Flächenanteil an der zugeordneten Schälwand 30 befestigt sind. Die Schälelemente können Folien aus Thermoplast, faserverstärktem Kunststoff oder auch Gewebe aus Nylon, Glasfaser und Aramidfaser sein. Es ist auch möglich, die Schälelemente aus dünnem Aluminium oder Stahlblech herzustellen. Für das verwendete Material ist nur erforderlich, daß die nötige Reißfestigkeit gewährleistet ist.

Die Schälwand 30 liegt, wie in den Fig. 11 und Fig. 12 gezeigt, nach dem Einbau an dem Karosserie-C-Profil an. Das heißt, sie ist bei Stoß druckbelastet und muß entsprechend verstärkt sein. Dies kann durch Sandwich-Strukturen erreicht werden, wie sie im Leichtbau üblich sind. Polyurethan-Schaum kaschiert mit glasfaser-, kohlenstoff- oder synthesefaserverstärktem Kunststoff oder Blech sind hierfür geeignet. Eine andere Ausführungsform der Schälwand 30 sieht Blechkonstruktionen mit Längssicken vor. Es ist aber auch denkbar, ein Thermo­ plastbauteil mit entsprechender Druckfestigkeit zu benutzen. Die Schälelemente 34 werden je nach Materialauswahl geklebt, geschweißt oder angepunktet.

In einer anderen Ausführungsform eines Stoßstangensegments 20 ist vorgesehen, daß die Schälwand 30 nicht auf dem Bodenteil des C-Profils 32 aufsteht. Dann wird sie beim Stoß durch Außenhalterungen 36 an die Karosserie gedrückt oder aber die Schälwand 30 wird über Außenhalterungen 36 mit der Karosserie 32 verhakt oder verrastet. Eine derartige Konstruktion hat zur Folge, daß die Schälwand zugbelastet ist. Für diesen Fall sind sehr leichte Lösungen aus faserverstärktem Laminat oder Blech möglich.

Der Aufbau des Stoßstangensegments 20 entspricht grundsätzlich der schematischen Darstellung gemäß Fig. 5. Dabei entspricht der Stoßstangenkörper 24 dem Innenprofil 1, das Außenprofil 2 der Schälwand 30 und die Schälelemente 34 dem Materialstreifen 3. Die Energieabsorption erfolgt identisch gemäß der anhand der Fig. 5 beschriebenen Funktionsweise: Ein Stoß auf das Gummiprofil 22 setzt sich über den Stoßstangenkörper 24 auf die Schälelemente 34 fort, diese lösen sich fortschreitend von der Schälwand 30 ab, wobei die Ablöse- oder Schälarbeit die Energie des Stoßes reduziert, so daß die über das Karosserie-C-Pro­ fil 32 auf das Fahrzeug übertragene Kraft begrenzt wird.

Die Stoßstangensegmente 20 der Stoßstangen gemäß Fig. 13 werden mit Übergangselementen 40 untereinander verbunden. In Fig. 13a ist eine Stoßstange vor einem Stoß und in Fig. 13b eine Stoßstange nach einem Stoß dargestellt. Aus dem Vergleich wird deutlich, daß nur ein Teilelement beschädigt ist, so daß nur dieses ausgewechselt werden muß. Damit lassen sich die Reparaturkosten stark reduzieren.

Die in Fig. 13 verwendeten Teilelemente sind seitlich geschlossen, um sie vor Eindringen von Wasser, Schmutz und Schnee zu schützen. Die kleinen Über­ gangselemente 40 übertragen den Stoß, falls er auf das Übergangsstück erfolgt, auf die benachbarten Teilelemente. Dazu greifen freie Schenkel über das benach­ barte Teilelement. Sie sind aber auch derart ausgestaltbar, daß sie bei einem starken Stoß benachbarte Teilelemente vor einer Beschädigung bewahren.

In Fig. 14 ist ein Übergangsstück 40 gezeigt, welches zwischen zwei Stoßstangen­ segmenten 20 eingebaut ist. Ein Teil eines Stoßes wird von dem Innenteil 42 aufgenommen, das z. B. durch Verformung Energie absorbiert. Das Innenteil 42 ist geschlossen und kann in bekannter Weise in Leichtbauweise ausgeführt sein. Dabei sind als Material Metalle, wie Aluminium und Stahl, geeignet. Jedoch sind auch Faserverbundwerkstoffe mit Duroplasten oder Thermoplasten als Matrix oder unverstärkte Thermoplaste und Duroplaste oder auch Kombinationen aus den genannten Werkstoffen möglich. Das Innenteil 42 greift mit Halterungsteilen 44 über die Stoßstangensegmente 20.

In Fig. 15 ist eine Ausführungsform gezeigt, bei welcher das Übergangsstück direkt in das Stoßstangensegment integriert ist, indem ein Übergangsstück 46 direkt an dem Stoßstangensegment 20 befestigt ist. Der Übergang wird dadurch geschaffen, daß das Übergangsstück 46 in das anliegende Stoßstangensegment 20 hineinragt und von diesem aufgenommen wird.

Ein weiteres Anwendungsbeispiel für erfindungsgemäße Energieabsorptions­ elemente ist in Fig. 16 gezeigt. Es handelt sich dabei um ein Sicherheitsglied 50 für ein Kranseil, das zu hohe Last bleibend anzeigt. Es kann vor allem zur Inspektion, zur Klärung von Gewährleistungsfragen und als Hilfsmittel für die Wartung dienen.

Das Sicherheitsglied 50 besteht aus zwei Teilen, die jeweils eine Öse 53 bzw. 55 aufweisen, an denen das Kranseil befestigt ist. Die Öse 53 ist an einem Außen­ profil 57 befestigt und die Öse 55 an einem Innenprofil 59, welches verschiebbar in dem Außenprofil 57 gelagert ist. Zwischen Innenprofil 59 und Außenprofil 57 sind Schälelemente 61 angebracht, über die beide Teile miteinander verbunden sind. Die Schälwand befindet sich an dem Außenprofil 57. Die dargestellte Konstruktion entspricht also dem Beispiel gemäß Fig. 7. Es sind aber auch andere der beschriebenen schematischen Ausführungsformen gemäß den Fig. 1 bis Fig. 9 für den Aufbau eines Sicherheitsglieds für Kran- oder Zugseile möglich.

Am Sicherheitsglied 50 sind zwei Skalen 63 angebracht, die eine Verschiebung des Teiles 59 gegen das Teil 57 anzeigen. Zur Ausführung der Einzelteile können wieder Metalle oder Kunststoffe benutzt werden.

Das zwischen zwei Kranseilabschnitten eingebaute Sicherheitsglied 50 beginnt sich beim Überschreiten der zulässigen Last auseinanderzubewegen, wobei sich die Schälelemente 61 ablösen. Dabei wird die Last aber weiterhin gehalten. Bei einer Inspektion kann nachträglich festgestellt werden, daß das Seil überlastet wurde. Damit können z. B. Gewährleistungsfragen geklärt werden. Das beschriebene Ausführungsbeispiel für Kranseile läßt sich auch auf andere Bereiche übertragen, bei der die Größe von Lasten dokumentiert werden soll, um einen sichereren Betrieb zu kontrollieren. Als Beispiele dafür seien Brücken­ zugseile und Lastfahrzeuge genannt.

Als weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Energie­ absorptionselementes wird eine Prallbox beschrieben. Die Prallbox wirkt ähnlich wie die Knautschzone, die aus der Kraftfahrzeugtechnik zur Verbesserung der Sicherheit von Personen in der Fahrgastzelle bekannt sind. Die Knautschzonen oder Prallboxen wirken vor allem bei größeren Stößen, wie z. B. einem Frontal­ zusammenstoß bei 55 km/h.

Bei den Knautschzonen wird die Energie eines Stoßes durch Biegeverformung von Karosserie- und Trägermaterial absorbiert. Bei einer erfindungsgemäßen Prallbox wird dagegen die Energie allein durch das Ablösen von Schälelementen aufgenommen. Die dabei entstehende Verformung ist gering, so daß Reparaturkosten erheblich verringert werden können.

In Fig. 17 ist ein Automobil 70 schematisch dargestellt. Die Frontseite besteht aus zwei Teilen 72 und 73. Dabei ist das Teil 73 festes Karosserieteil und das Teil 72 ein verschiebbares Frontteil. Beide Teile 72 und 73 weisen Verstärkungselemente 74 und 76 auf, die stabil genug sind, einen Stoß ohne Verformung zu übertragen. Zwischen den Verstärkungselementen 74 und 76 sind jeweils Schälelemente (nicht gezeigt) angebracht, die, wie schon in den vorangegangenen Beispielen beschrieben, wirken. Durch eine entsprechende Konstruktion der Stoßstange läßt sich erreichen, daß die Kräfte eines Frontalstoßes im wesentlichen auf die Verstärkungselemente 74 übertragen werden. Das hat zur Folge, daß sich das Frontteil 72 in das Teil 73 hineinschiebt, wobei die anfängliche Stoßenergie von der Stoßstange aufgenommen wird. Erst dann beginnt die Prallbox zu wirken. Das Abschälen der Schälelemente von dem Teil 76 nimmt anschließend weitere Energie auf, wodurch die Wahrscheinlichkeit, daß die Fahrgastzelle unbeeinträchtigt bleibt, beträchtlich erhöht wird.

Auch in diesem Beispiel können die Materialien sehr flexibel ausgewählt werden. Wichtig ist dabei, daß die Teile 74 und 76 in Längsrichtung biegesteif sind, damit der Stoß gezielt auf die Schälelemente übertragen wird.

Ein weiteres wichtiges Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Fig. 19 bis 21 gezeigt.

Die Figuren zeigen eine auf dem Schälwandprinzip beruhende Stoßstange, wie sie in Zusammenhang mit der Stoßstange gemäß den Fig. 11 bis 15 beschrieben wurde. Auch hier ist die Stoßstange 82 eines Automobils 80 in einem Karosserie- C-Profil 84 über Schälelemente befestigt. Das Karosserie-C-Profil ist aber in diesem Beispiel in einem Knautschvolumen 86 eingebettet. Das Knautschvolumen 86 enthält Energieabsorptionselemente, wie Wabenstrukturen, gekreuzte Spant/Stringer-Strukturen, Hartschaum, Absorptionskegel oder ähnliches. Außerdem wird der im vorangehenden Beispiel leere Stoßstangen­ körper 24 hier mit ähnlichen verformbaren Strukturen gefüllt, so daß auch die Stoßstange 82 bei sehr großen Stößen verformt wird.

Bei kleinen Stößen, bei etwa 8 km/h, wird die schon vorstehend diskutierte Abschälung wirksam. Nach einem entsprechenden Stoß wird die Stoßstange 82 in das Karosserie-C-Profil 84 hineingedrückt, wobei die Energie von den Schälelementen aufgenommen wird. Dieser Fall ist in Fig. 20 dargestellt.

Bei größeren Stößen wird ebenfalls zuerst die Energie in den Schälelementen der Stoßstange aufgenommen. Danach wirken aber die Strukturen, die in das Knautschvolumen 86 und in den Stoßstangenkörper eingebaut sind. Durch Verformung absorbieren sie Energie, wobei das übrige Fahrzeug geschont wird. Ein Beispiel für einen 55 km/h Frontalzusammenstoß ist in Fig. 21 dargestellt. Das Knautschvolumen 86 und die Stoßstange 82 sind dabei vollständig zusammengedrückt, während das übrige Fahrzeug unbeschädigt geblieben ist.

Natürlich lassen sich in ähnlicher Weise auch eine erfindungsgemäße Prallbox mit einer erfindungsgemäßen Stoßstange kombinieren. Dabei muß die Prallbox nicht in der Nähe der Fahrgastzelle gelegen sein, wie in den Beispielen gemäß Fig. 17 und 18, sondern kann auch analog zum Knautschvolumen gemäß den Fig. 19 bis 21 in der Frontpartie eingebaut sein und das Karosserie-C-Profil aufnehmen.

Die vorangegangenen Beispiele zeigten, daß erfindungsgemäße Energie­ absorptionselemente gegenüber den im Stand der Technik bekannten verformbaren Energieabsorptionselementen überlegen sind. Die Vorteile sind schon aus der vorausgegangenen Diskussion deutlich geworden. Mit der erfindungsgemäßen Konstruktion läßt sich zum einen eine Gewichtsreduzierung erreichen, zum anderen erleichtert die Erfindung neue Bauweisen, bei denen Kraftkonzentrationen durch Krafteinleitungspunkte mit Spannungsspitzen vermieden werden.

Sowohl für die energieabsorbierenden Teile als auch die anliegenden Teile sind verschiedene Materialen möglich. Das schließt neben den in der Fahrzeugtechnik üblicherweise verwendeten Metallen auch Faserverbundmaterialien und Thermoplaste mit ein.

Durch verschiedene Befestigungstechniken und Befestigungsflächen ist die Aufnahme von geringen und großen Flächenkräften ohne Probleme einstellbar. Außerdem werden unterschiedliche Kraft-Weg-Verläufe mit geringstem Aufwand ermöglicht. Das Beispiel der Stoßstange hat vor allen Dingen gezeigt, daß mit der Erfindung auch Ausführungen möglich werden, die besonders kostengünstig bezüglich einer Reparatur sind, da nur Teilelemente ausgetauscht werden müssen.

Neben den gebrachten Beispielen und aufgrund der vorstehenden Erläuterungen sind auch andere Einsatzbereiche für erfindungsgemäße Energie­ absorptionselemente möglich. Das umfaßt seitliche Schutzleisten an Kraftfahrzeugen oder Schiffsbordwänden, Prellböcke für Eisenbahnen, Sicherheitsabsperrungen an Skipisten und Rennbahnen, Leitplanken, Transport­ sicherung von hochempfindlichen Teilen, z. B. im Container (gegen Stöße). Energieabsorptionselemente zur Befestigung von Hubschrauberkufen, Hubschraubersitz-Unterbauten, Flugzeughecksporne und der Unterbau derartiger Geräte sind über die erfindungsgemäßen Energieabsorptionselemente in vorteilhafter Weise möglich.

Claims (20)

1. Mechanisches Energieabsorptionselement mit zwei relativ zueinander verschiebbaren Profilen (1, 2), bei dem an den beiden Profilen mindestens ein beim Verschieben durch die auftretenden Kräfte verformbarer Materialstreifen (3) befestigt ist, wobei ein dem Verschieben entgegenstehender mechanischer Widerstand entsteht, dadurch gekennzeichnet,

• - daß der Materialstreifen (3) aus biegeweichem und reißfestem Material besteht,
• - daß mindestens ein verformbarer Materialstreifen (3) mit mindestens einem der beiden Profile (1, 2) flächig verbunden ist,
• - daß der wesentliche Teil der beim Verschieben aufgewandten Energie durch Lösen der flächigen Verbindung absorbierbar ist und
• - daß sich die flächige Verbindung im wesentlichen über die gesamte für die Energieabsorption wirksame Verschiebelänge erstreckt.

2. Mechanisches Energieabsorptionselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

• - daß die flächige Verbindung durch Kleben, Schweißen oder Nieten ausgebildet ist.

3. Mechanisches Energieabsorptionselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

• - daß die Form und Fläche der flächigen Verbindung entsprechend der pro relativem Verschiebeweg der Profile (1, 2) aufzunehmenden Absorptions­ energie definiert ist.

4. Mechanisches Energieabsorptionselement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,

• - daß eine progressive oder degressive Verformungskraft durch eine zu- oder abnehmende Breite der flächigen Verbindung an einem der Profile (1, 2) eingestellt ist.

5. Mechanisches Energieabsorptionselement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,

• - daß die flächige Verbindung quer zur Verschieberichtung teilweise un­ terbrochen ist.

6. Mechanisches Energieabsorptionselement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,

• - daß die verschiebbaren Profile durch ein U-förmiges Außenprofil (2) und ein rechteckformiges Innenprofil (1) gebildet sind.

7. Mechanisches Energieabsorptionselement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,

• - daß jeweils ein Materialstreifen (3) vorzugsweise symmetrisch auf jeder Seite des Innenprofils (1) angebracht ist.

8. Mechanisches Energieabsorptionselement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,

• - daß der Materialstreifen (3) vorzugsweise aus Faserverbundwerkstoff mit einer geeigneten Kombination von Fasermaterial, Matrix und Faserrichtung besteht.

9. Mechanisches Energieabsorptionselement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet,

• - daß an dem Materialstreifen (3) eine Gleitfolie zur Verringerung von Reibungskräften angebracht ist.

10. Mechanisches Energieabsorptionselement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet,

• - daß mindestens eines der ineinander verschiebbaren Profile (1, 2) die Drucksteifigkeit erhöhende Sicken (5, 6) aufweist.

11. Mechanisches Energieabsorptionselement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet,

• - daß die Materialstreifen (3) für die Aufnahme einer Druckbelastung auf das Energieabsorptionselement angeordnet ist.

12. Mechanisches Energieabsorptionselement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet,

• - daß mindestens ein Materialstreifen (3) für die Aufnahme einer Zugbelastung auf das Energieabsorptionselement angeordnet ist.

13. Mechanisches Energieabsorptionselement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet,

• - daß der Materialstreifen ungleichmäßig aufgebaut ist, so daß eine progressive oder degressive Verformungskraft erzeugt ist.

14. Mechanisches Energieabsorptionselement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet,

• - daß der Materialstreifen aus einem bei Verformung Energie absorbierenden Material hergestellt ist.

15. Mechanisches Energieabsorptionselement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet,

• - daß das Außenprofil (2) der beiden ineinander verschiebbaren Profile (1, 2) ein U-Profil mit nach innen gebogenen U-Schenkeln (8) ist, so daß beim Ineinanderschieben der Profile (1, 2) ein Querzug in das Innere des U-Profils hinein erzeugt wird.

16. Mechanisches Energieabsorptionselement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet,

• - daß durch eine an einem Profilteil angebrachte Skala (63) der Grad der Verschiebung anzeigbar ist.

17. Mechanisches Energieabsorptionselement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet,

• - daß das mechanische Energieabsorptionselement bei einer Stoßstange (20, 82) zur Stoßabsorption verwendet ist.

18. Mechanisches Energieabsorptionselement nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet,

• - daß die Stoßstange (82) in einem Karosserie-C-Profil (84) an der Karosserie befestigt ist,
• - daß das Karosserie-C-Profil (84) in einem weiteren Energieabsorptionselement (86) befestigt ist.

19. Mechanisches Energieabsorptionselement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet,

• - daß das mechanische Energieabsorptionselement als zug- oder druckabhängiges Sicherheitsglied (50) verwendet ist.

20. Mechanisches Energieabsorptionselement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet,

• - daß das mechanische Energieabsorptionselement als Prallbox in der Karosserie von Kraftfahrzeugen oder an der Bordwand von Schiffen verwendet ist.