DE4228472A1

DE4228472A1 - Stoßabsorber

Info

Publication number: DE4228472A1
Application number: DE4228472A
Authority: DE
Inventors: Guenther Dr Ing Unger
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1992-08-27
Filing date: 1992-08-27
Publication date: 1994-03-03

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Stoßabsorber zur Verbesserung der Unfallsicherheit und zur Verminderung der Crashfolgen vorzugsweise eingesetzt bei Kraftfahrzeugen aller Art.

Darüberhinaus sollen mit dem Einsatz derartiger Stoßabsor ber Unfallfolgen bzw. Crash-Auswirkungen bei stationären und mobilen Konstruktionen sowie Anlagen verringert wer den.

Eine zuverlässige Lösung dieser Problematik ist akut bei Transport, Lagerung und Betrieb gefährlicher bzw. hochgradig gefährdeter Güter, bei der Umhausung, Umklei dung bzw. Auskleidung von Behältern mit gefährlichem In halt, wie beispielsweise Säuren oder Treibstoff bis hin zur schützenden Abdeckung von Atomreaktoren.

Aus dem Automobilbau sind verschiedene Lösungen für den Aufbau von Stoßfängern bzw. Energieabsorbern bekannt. Dabei werden von den Herstellern Stoßabsorber eingesetzt, die schlagartige Belastungen mehr oder weniger einachsig in plastische Verformung umwandeln.

So wird in DE 28 53 244 ein Stoßfänger für Kraftfahrzeuge, insbesondere Kraftwagen beschrieben. Dabei handelt es sich um Kraftwagen mit einem biegesteifen, sich in fahrzeug festen Teilen abstützenden Träger, dem ein aus geschäumten Material bestehender, vorzugsweise durch eine elastische Abdeckung in Form einer Schürze verkleideter Energieabsor ber vorgelagert ist.

Als wesentliches Merkmal dieser Erfindung wird bean sprucht, daß der Formänderungswiderstand des Energieabsor bers, ausgehend von der Mitte des Stoßfängers, in Richtung der Stoßfängerenden durch Änderung der Schaumdichte und/oder durch Materialschwächung kontinuierlich oder stufen weise abnimmt.

Ein derartiger vorzugsweise regenerierbarer Energieabsor ber, der teilweise von einer aus zähelastischem Material bestehenden Schale umgeben ist, wird in DE 31 25 687 da hingehend weiter ausgebildet, daß der eigentliche Energie absorber stoßnah angeordnet ist und seine Bewegung bzw. Belastung mit Rastelementen gekoppelt ist.

Aus DE 33 45 408 ist ein Stoßabsorber bekannt, der einen Formkörper besitzt und insbesondere zum Einbau zwischen die Stoßfänger und die Karosserie oder das Fahrgestell vorgesehen ist. Der Formkörper besteht dabei aus einem Flockenverbund-Schaumstoff bestimmter Dichte.

DE 38 36 724 beschreibt einen Pralldämpfer zur nachgiebi gen Befestigung des Stoßfängers am Längsträger eines Fahr zeugaufbaus mit einem einen Arbeitszylinder und einen darin unter Verdrängung eines Medium verschieblichen Ver drängungskolben aufweisenden Stoßdämpfer, dessen aus dem Arbeitszylinder vorstehender Verdrängungskolben stirnsei tig eine Aufnahme zur Befestigung des Stoßfängers trägt.

Des weiteren handelt es sich um einen Pralldämpfer mit einem den Arbeitszylinder teilweise aufnehmenden Gehäuse, das eine Vorrichtung zur Befestigung am Längsträger auf weist, und der über ein im Gehäuse angeordnetes energie absorbierendes Deformationsglied verfügt, an dem sich der Arbeitszylinder mit seiner vom Stoßfänger abgekehrten Stirnseite abstützt.

Schließlich ist mit DE 39 25 821 ein mit einem energie absorbierenden Schaum angefüllter Energieabsorber vorver öffentlicht, dessen dem Stoßangriff gegenüberliegender Wandabschnitt wenigstens eine mit definierter Öffnungswei te versehene Öffnung aufweist, durch die bereits zusammen gedrückter Schaum bei einem weiteren Kraftanstieg unter Energieabsorption ausgepreßt wird, wobei die Öffnung erst beim Erreichen eines vorbestimmten Kraftniveaus dadurch geschaffen wird, daß ein durch eine Schwachstelle des Wandabschnittes umgrenzter Bereich abgetrennt wird.

Generell ist für den Einsatzbereich im Automobilbau festzustellen, daß abgesehen von mindestens zwei steifen Punkten, die konstruktiv bedingt sind, im unmittelbaren Bereich hinter dem Kfz-Kennzeichen, wo die Crash-Zone beginnt, viel weicher Hohlraum verschenkt wird.

Abgeleitet vom Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, einen Stoßabsorber zu entwickeln, mit dem die Crash-Belastbarkeit von Fahrzeugen sowie zu schützenden Anlagen bzw. Objekten bei Gewährleistung einer zuverlässi gen Schutzwirkung vergrößert wird, in dem die auftretende Störenergie am unmittelbaren Einwirkungsort, also im Vor feld der zu sichernden Objekte abgebaut wird.

Darüber hinaus sollen schlagartige Belastungen in mehreren Achsrichtungen in plastische Verformung umgewandelt werden können.

Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Patent anspruch 1 angegeben. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Das Wesen der Erfindung besteht darin, in Hohlräumen bzw. in Freiräumen zwischen Aggregaten bei Kraftfahrzeugen im Frontal-, Heck- und Seitenbereich sowie zur Umkleidung bzw. Auskleidung von zu schützenden Objekten flächenhafte Materialien zu dreidimensionalen stoßabsorbierenden Raum gebilden zu verarbeiten bzw. sie in vorhandene geometri sche Verhältnisse einzupassen. Die auf diesem Weg entste henden Stoßabsorber sollen ein möglichst geringes Gewicht haben und nur geringe Kosten verursachen.

Die erfindungsgemäßen Stoßabsorber bestehen aus Metallfo lien bzw. Blechen, die so profiliert und zu einem ebenen, einfach oder doppelt gekrümmten Rost in dreidimensionaler Raumausdehnung gefügt sind, daß abhängig von der erfolgten Profilierung und der nachfolgenden Schichtung und Verbin dung der profilierten Folien bzw. Bleche eine Vielzahl von Raumzellen entsteht.

Der Querschnitt der den Rost bildenden Raumzellen hängt dabei ab von der Art der Profilierung der Metallfolien bzw. Bleche.

Optimale Verhältnisse hinsichtlich der Energieabsorbierung des Stoßabsorbers, der Umwandlung von Stoßenergie in pla stische Verformung liegen vor, wenn Profilierung und Fü gen der Metallfolien bzw. Bleche so erfolgen, daß die Raumzellen einen quadratischen Querschnitt aufweisen. Jede Abweichung von der quadratischen Querschnittsform ist mit Verlusten im Arbeits- bzw. Leistungsaufnahmevermögen des Stoßabsorbers verbunden. Dieser Effekt ist insbesondere auch bei einfach oder doppelt gekrümmten Ausführungen des Stoßabsorbers mit den hier zwangsläufig vorhandenen loka len Abweichungen vom angestrebten quadratischen Raumzel lenquerschnitt zu beachten.

Die Profilierung der Metallfolien bzw. -bleche kann bei spielsweise durch Abkanten oder Tiefziehen erfolgen. Der Verbindungsvorgang der profilierten Folien bzw. Bleche kann u. a. durch Kleben oder Schweifen und dabei insbeson dere durch elektrisches Widerstandsschweißen realisiert werden.

Die Profilierung selbst erfolgt möglichst rechtwinklig, wobei für ebene Raumzellenanordnungen bzw. Roste eine parallele Kantenführung gegeben ist. Für einfach gekrümmte Systeme, bei denen die Richtung des Krümmungsradius mit der Richtung der Raumzellenlängsachse z pro Zellenebene übereinstimmt, wird sich der Kantenabstand in Richtung des gemeinsamen Mittelpunktes bzw. der senkrecht durch den Mittelpunkt einer jeden Zellenebene verlaufenden Längs achse des Schutzobjektes, abhängig vom Krümmungsradius des Rostes, verringern. Für doppelt also in x- und y-Richtung gekrümmte Systeme kann der zweite Krümmungsradius auch durch das unterschiedlich starke Ineinanderschieben der ge schichteten profilierten Metallfolien eingestellt werden.

Die Belastungsrichtung des Stoßabsorbers stimmt mit der Achsrichtung der den Stoßabsorber bildenden Raumzellen überein. Daraus folgt, daß für mehrachsige Beanspruchungen Kombinationen von unterschiedlich ausgerichteten Raumzel leneinheiten vorgesehen werden müssen.

Zur Einstellung günstiger Masse-Leistungsverhältnisse wird das Raumzellengebilde, der Rost vorzugsweise aus Aluminium hergestellt.

Die bevorzugte Folien- bzw. Blechstärke liegt im Bereich 0,1 bis 2 mm.

Natürlich können für solche Einsatzbereiche, wie Abdeckung von gelagerten gefährlichen Gütern, hochbrisanten Produktionsstätten wie Atomreaktoren u. a.m. auch größere Blechstärken und andere Materialen zum Einsatz kommen.

Für den Einsatzbereich im Automobilbau gelten die o.g. Werte, also Aluminium der Dicke 0,1 bis 2 mm.

Die zugehörigen Seitenlängen der Raumzellenquadrate liegen dabei vorzugsweise im Bereich 1,5 bis 30 mm und die räumliche Ausdehnung des Rostes in Richtung der Zellen längsachse beträgt etwa 5 bis 100 mm.

Für die die Stabilität, das Arbeitsaufnahmevermögen kenn zeichnende Relation von Dicke der eingesetzten Metallfo lien bzw. Bleche zur Kantenlänge des Raumzellenquer schnitts wurde ein günstiger Wertebereich von 1 : 10 bis 1 : 20 gefunden.

Die offenen Raumzellen sollten zweckmäßigerweise dauerhaft abgedeckt sein, wobei eine der Abdeckungen perforiert bzw. druckluftdurchlässig ausgeführt sein muß. Damit ist gewähr leistet, daß die eingeschlossene und ggf. komprimierte Luft entweichen kann.

Wesentlich für Dimensionierung und Einsatz des Stoßabsor bers ist, daß er in seiner Steifigkeit der Steifigkeit der zu schützenden Zone angepaßt werden kann.

Weiterhin ist festzuhalten, daß der erfindungsgemäße Stoß absorber als zunächst passives Dämpfungselement konzipiert und statisch erprobt auch als voluminöse tragende Kon struktion einsetzbar ist.

In Zellenlängsrichtung auf Druck belastet nimmt der Alu miniumrost die größtmögliche plastische Verformungsarbeit auf.

Im Automobilbau an den geeigneten Stellen bzw. den erfor derlichen Schutzzonen angeordnet genügen wenige Kilogramm, um auch perspektivischen Sicherheitsanforderungen zu genü gen.

Diese Masse kann sicher an anderer Stelle (tragende Teile, Blechdicke, Schalldämmpaste u. a.m.) eingespart werden.

Neben dem Automobilbau ist ein bedeutendes Einsatzfeld des Stoßabsorbers der Schutz von Objekten bzw. Anlagen bei Transport, Lagerung und Betrieb gefährlicher bzw. gefährdeter Gegenstände gegen Crasheinwirkung.

Auch im Personenschutz ist der Stoßabsorber mit Erfolg einsetzbar, beispielsweise in doppelt gekrümmter Version zur Auskleidung bzw. Umkleidung von (Motorad)-Schutzhel men.

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbei spielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben, auf die im übrigen bezüglich der Offenbarung aller im Text nicht näher erläuterten erfindungsgemäßen Einzelheiten ausdrücklich verwiesen wird. Es zeigen:

Fig. 1 das Energieaufnahmediagramm eines erfindungsgemäßen Stoßabsorbers,

Fig. 2 einen Ausschnitt aus einem ebenen Stoßabsorber-Rost,

Fig. 3 den Aufbau der Raumzellen,

Fig. 4 die Darstellung eines Viertelsektors der aufgeschnittenen Ummantelung eines zylindrischen Behäl ters,

Fig. 5 eine Schutzhelmummantelung.

Fig. 1 veranschaulicht die Energieaufnahmefähigkeit des erfindungsgemäßen Stoßabsorbers mit quadratischem Zellen querschnitt.

Dargestellt sind typische Verläufe für die Aufnahme plastischer Arbeit W_p bezogen auf 1 Gramm für verschiedene Werkstoffe und Raumzellenabmessungen. Die Bewertungsgrenze in Fig. 1 mit = 0,5 ist willkürlich vorgegeben.

Die Stoßabsorberarbeit W_p wurde meßtechnisch für verschie dene Folien- bzw. Blechdicken und für verschiedene Rela tionen zwischen Materialdicke und Kantenlänge des Raumzel lenquerschnitts bei vorgegebener Probenhöhe (räumliche Ausdehnung z) ermittelt.

Dabei sind die untersuchten Proben wie folgt dimensioniert:

für die Kurve W_p1:
- eingesetzter Werkstoff Aluminium
- Folienstärke 0,275 mm
- Kantenlänge 2,5 mm
- Probenhöhe 15 mm
für die Kurve W_p2:
- eingesetzter Werkstoff Stahl
- Folienstärke 0,185 mm
- Kantenlänge 2,5 mm
- Probenhöhe 15 mm
für die Kurve W_p3:
- eingesetzter Werkstoff Stahl
- Folienstärke 0,095 mm
- Kantenlänge 2,5 mm
- Probenhöhe 10 mm.

Aufgetragen ist die geleistete Stoßabsorberarbeit über dem Verformungsgrad, ausgedrückt durch das Verhältnis aktuelle Verformungsdichte zur Enddichte der Verformung.

Es ist zu erkennen, daß bei einer einheitlichen Kantenlänge des quadratischen Raumzellenquerschnitts von 2,5 mm die vergleichsweise besten Ergebnisse hinsichtlich vom Stoßabsorber geleisteter Arbeit mit dem Werkstoff Aluminium in der angegebenen Geometrie erzielt werden.

Ein Ausschnitt aus einem ebenen Stoßabsorberrost 1, wie er beispielsweise im Automobilbau eingesetzt werden kann, ist in Fig. 2 dargestellt.

Eingezeichnet ist die Belastungsrichtung 3 und das zu schützende Objekt 4.

Dieser Rost 1 besteht aus einer Vielzahl von Raumzellen 2 mit möglichst quadratischem Querschnitt, die durch mäan derförmige Profilierung von Aluminiumfolien, ihre nachfol gende Schichtung und Kontaktierung gebildet werden.

Fig. 3 zeigt diesen Entstehungsweg von der Metallfolie 5 bis zum Absorberrost 1. Die Verbindung von zwei profilierten Alu-Folien erfolgt an den Kanten 6 durch Kleben.

Fig. 4 zeigt die Ummantelung eines zylindrischen Behäl ters, beispielsweise für Transport und Lagerung gefähr licher Güter durch einen einfach gekrümmten Stoßabsorber. Bei der dargestellten Ausführungsform verläuft die erwar tete Belastungsrichtung 3 radial, senkrecht zur Längsachse des zylindrischen Schutzobjektes.

Doppelt, d. h. in X- und Y-Richtung gekrümmte Stoßabsorber können beispielsweise kalotten- oder kuppelförmig ausge bildet sein.

In Fig. 5 ist ein doppelt gekrümmtes Stoßabsorbersystem zur Schutzhelmummantelung dargestellt. Die Längsachsen der Raumzellen 2 verlaufen dabei alle senkrecht zum Schutzhelmgrundkörper; dadurch besitzt der Stoßabsorber in den Belastungsrichtungen 3 die jeweils maximale Ener gieaufnahmefähigkeit.

Claims

1. Stoßabsorber zur Erhöhung der Unfallsicherheit und zur Verminderung der Crashfolgen insbesondere bei Kraftfahr zeugen, dadurch gekennzeichnet, daß Metallfolien und/oder Bleche (5) so profiliert und nachfolgend zu einem ebenen bzw. einfach oder doppelt in X- und Y-Richtung gekrümmten Rost (1) in dreidimensionaler Raumausdehnung gefügt sind, daß der Rost aus einer Vielzahl von Raumzellen (2) mit belie bigen von der Art der Profilierung abhängigen Querschnitt besteht.

2. Stoßabsorber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für mehrachsige Beanspruchun gen Roste (1) bzw. Zellen (2) verschieden ausgerichteter Raumachsen miteinander kombiniert sind, wobei in jeder Achsrichtung Roste mit verschiedenen Raumzellenquerschnitten hintereinanderschaltbar sind.

3. Stoßabsorber nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß für den Aufbau der Roste (1) bzw. Zellen (2) vorzugsweise Aluminiumfolien bzw. Bleche mit einer Wandstärke von 0,1 bis 2 mm eingesetzt sind.

4. Stoßabsorber nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallfolien und/oder Bleche (5) möglichst rechtwinklig mäanderförmig profiliert sind und daß die daraus gefügten Raumzellen (2) vorzugs weise einen quadratischen Querschnitt besitzen.

5. Stoßabsorber nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenlängen der Raumzel lenquadrate für den Einsatzbereich des Stoßabsorbers für Kraftfahrzeuge vorzugsweise 1,5 bis 30 mm betragen und die räumliche Ausdehnung des Rostes in Richtung der Zel lenlängsachse im Bereich von ca. 5 bis 100 mm liegt.

6. Stoßabsorber nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das die Dimensionierung der Raumzellen (2) prägende Verhältnis von Dicke der einge setzten Metallfolien (5) bzw. Bleche zur Kantenlänge des Raumzellenquerschnitts vorzugsweise den Wert 1 : 10 bis 1 : 20 aufweist.

7. Stoßabsorber nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die rostartig ausgeführte, an den Stirnseiten offene Raumzellenanordnung dauerhaft abgedeckt ist, wobei eine der stirnseitigen Abdeckungen perforiert bzw. zumindest druckluftdurchlässig ausgeführt ist.

8. Stoßabsorber nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Fügen der profilierten Metallfolien bzw. Bleche durch Kleben oder Schweißen, vorzugsweise elektrisches Widerstandsschweißen erfolgt.

9. Stoßabsorber nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß seine Steifigkeit, sein Ar beitsaufnahmevermögen der Steifigkeit der zu schützenden Zone angepaßt ist.

10. Stoßabsorber nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß er als passives Dämpfungsele ment, aber auch als voluminöse tragende Konstruktion ein setzbar ist.

11. Stoßabsorber nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß sein Einsatzbereich generell den Schutz gefährlicher bzw. gefährdeter Güter im Lager-, Transport- und Betriebsprozeß umfaßt, wobei die Palette der zu schützenden Objekte bzw. die Konfiguration des Stoßabsorbers vom geeignet konstruierten Motorradhelm über eine Umkleidung von Behältern mit gefährlichem Inhalt bis hin zur Abdeckung von Atomreaktoren reicht.