DE4317738C2 - Energieabsorber - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Energieabsorber gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, und insbesondere auf einen Energieabsorber, der als Trägerelement für Stoßstangen geeignet ist, die an einem Automobil befestigt sind, oder auf einen Stoßdämpfer, der unter dem Bodenbereich eines Helikopters verwendet wird.

Üblicherweise ist jeweils an der Vorder- und an der Rückseite einer Autokarosserie eine Stoßstange befestigt. Die Stoßstangen absorbieren die Stoßenergie bei einem Zusammenstoß, um die Autokarosserie und die Insassen zu schützen. Stoßstangen sind erforderlich, um eine große Belastung irreversibel zu absorbieren, die auf ein Auto wirken würde, wenn dieses Auto mit einem Hindernis zusammenstößt. Um die Absorptionsenergie der Stoßstangen zu erhöhen, wurden mehrere unterschiedliche Verbesserungen bezüglich der Materialien und der Konstruktionen der Trägerelemente gemacht, die die Stoßstangenkörper tragen.

Ferner wird ein Stoßdämpfer unter dem Bodenbereich eines Helikopters verwendet. Dieser Stoßdämpfer dient dazu, den Stoß so gut wie möglich zu reduzieren, wenn der Helikopter eine Notlandung aufgrund einer Fehlfunktion o. ä. machen sollte, und insbesondere den Stoß zu reduzieren, der die Passagiere erreichen würde. Eine Anforderung an Stoßdämpfer ist, daß sie leicht sind und eine ausgezeichnete Energieabsorptionsleistung aufweisen.

Die DE 36 26 150 A1, am 18. Februar 1988 offengelegt, offenbart beispielsweise Stoßstangen, die durch ein elastisches Dämpfungselement an die Strebe eines Fahrzeugkörpers befestigt ist, und die aus faserverstärktem Kunststoff hergestellt ist. Das Dämpfungselement ist im wesentlichen ringförmig gestaltet, wobei die Fasern des faserverstärkten Kunststoffs in der Umfangsrichtung angeordnet sind. Das Dämpfungselement wird in einer Lage verwendet, in der der Stoß von der Seite darauf wirkt, oder in der die Achse des Dämpfungselements senkrecht zu der Richtung steht, aus der der Stoß kommt.

Wenn die Zerstörungskraft äußerlich von der Seite auf das im wesentlichen ringförmige faserverstärkte Kunststoffelement wirkt, wie es in der deutschen Patentveröffentlichung offenbart ist, wird jedoch nur der Abschnitt verformt, der sich in der gleichen Richtung, aus der die Belastung kommt, erstreckt, um zerbrochen zu werden. Anders ausgedrückt, wird der Abschnitt, der sich in die Richtung senkrecht zur äußeren Kraft erstreckt, im wesentlichen die ursprüngliche Gestalt behalten und wird nicht zerbrochen. Wenn eine Belastung auf dieses Ringelement aufgebracht wird, absorbiert deshalb dieses Element einen geringen Energiebetrag während der Druckverformung und hat eine geringe Energieabsorptionseffektivität bezogen auf das Gewicht des Elements.

Die ungeprüfte japanische Patentveröffentlichung Nr. 124142/1982 offenbart gemäß Fig. 11 einen netzförmigen Gegenstand 22, der zylindrisch aus einem Faserverbundband 21 als ein Gegenstand zum Stoßschutz gebildet ist, der für Stoßstangen verwendet wird. Das Band 21 ist z. B. aus einem Material hergestellt, das einen Glasfaserstrang hat, der mit einem Epoxidharz getränkt ist. Das Band 21 ist mit einer Neigung von 30° bis 60° zur Längsachse des Gegenstandes 22 angeordnet. Jeder Knoten 23 des Gegenstandes 22 ist aus ungefähr zehn Lagen des Bandes 21 gebildet.

Dieser Stoßschutzgegenstand erfüllt seinen Zweck, indem er die dazugehörige Stoßstange derartig lagert, daß die Druckbelastung aus der Axialrichtung des Gegenstandes 22 wirkt. Wenn die axialgerichtete Belastung auf den Gegenstand 22 aufgebracht wird, tritt eine Zwischenschichttrennung an den gegenüberliegenden Knoten 23 der Netzkonstruktion auf. Daraus ergibt sich ein Abgleiten unter Scherbeanspruchung an der Schnittstelle zwischen den Fasern und der Matrix. Dementsprechend wird die Energie nach und nach absorbiert. Wenn der Gegenstand 22 durch die Druckbelastung gebrochen wird, tritt der Bruch überall auf. Somit kann in diesem Fall die Energieabsorptionseffektivität pro Gewicht des Absorbers erhöht werden, im Vergleich zu dem Fall, indem eine Druckbelastung seitlich aufgebracht wird. Da dieser Stoßschutzgegenstand eine Netzkonstruktion mit einem Schnittwinkel des Bandes 21 zwischen 30° und 60° hat, verformt sich jedoch die Netzkonstruktion, wenn eine Druckbelastung aus der Axialrichtung aufgebracht wird, so daß sich der Gegenstand 22 bei einer kleinen Belastung leicht verformt.

Berücksichtigt man die Forderung eines Stoßstangenträgerelementes nach einer Reduzierung des auf einen menschlichen Körper übertragenen Stoßes, sollte zusätzlich der Maximalwert einer solchen Belastung auf einen Wert gedrückt werden, bei dem der menschliche Körper nicht ernsthaft in Mitleidenschaft gezogen wird. Die Menge an Absorptionsenergie wird speziell durch die Fläche unterhalb der Kurve in der Graphik ausgedrückt, die die Beziehung zwischen der Druckbelastung und dem Versatzbetrag zeigt, und oberhalb der Grundskala, die den Versatzbetrag darstellt. Wenn ein übermäßiger Belastungswechsel erfolgt, wird der Gesamtbetrag der Energieabsorption kleiner. Um die Forderung einer Reduzierung des auf den menschlichen Körper übertragenen Stoßes bei Erhöhung des Betrages der Energieabsorption zum Zeitpunkt der Deformierung zu erfüllen, sind folgende zwei Punkte wichtig.

• 1. Unerwartete Belastungserzeugung verhindern.
• 2. Die Belastungskurve bzw. den Versatzbetrag so flach wie möglich zu halten (z. B. einen Belastungswechsel so klein wie möglich machen).

Wenn die Belastung bei einer Erhöhung des Versatzbetrags für den vorstehend beschriebenen Stoßschutzgegenstand allmählich sinkt, ist es jedoch schwierig den Betrag der Energieabsorption zu erhöhen.

Seit kurzem werden sogenannte Airbags verwendet, um die Insassen in einem Auto zu schützen. Die Airbags sind so konstruiert, daß sie sich ausdehnen um die Insassen zu schützen, wenn die Belastung, die bei einem Zusammenstoß erzeugt wird, als gleich oder über der Grenze aufgefaßt wird, die für den menschliche Körper gefährlich ist. Es ist ziemlich gefährlich, wenn die Airbags bei einem Zusammenstoß unter geringer Geschwindigkeit aktiviert werden, die keine ernsthafte Verletzung für die Insassen hervorruft. Es ist deshalb notwendig, eine übersensible Aktivierung der Airbags zu verhindern. Der Aktivierungssensor eines jeden Airbags ist so konstruiert, daß er bei einer Belastung, die gleich oder unterhalb eines vorbestimmten Wertes liegt, nicht funktioniert, sondern daß er nur funktioniert, wenn die Belastung einen zweiten Pegel erreicht, der höher als der vorherbestimmte Pegel ist. Zur Abstimmung des Aktivierungssensors zur Aktivierung des Airbags unter den gewünschten Bedingungen, wenn ein Auto bei oder über einer vorbestimmten Geschwindigkeit zusammenstößt, ist es dehalb notwendig, einen Energieabsorber zu schaffen, der während der Erzeugung vorbestimmter Belastungen bricht, die zu zwei Zusammenstoßgeschwindigkeitsstufen gehören. Jedoch gab es bis jetzt noch keinen Vorschlag, einen Energieabsorber so zu konstruieren, daß er zwei Stufen von Belastungswechseln in Verbindung mit zwei Stufen an Zusammenstoßgeschwindigkeiten erzeugt, so daß er zur Abstimmung eines Aktivierungssensors eines Airbags dienen könnte.

Da viele Zusammenstoßgeschwindigkeiten und -richtungen eines Autos möglich sind, sollte der Energieabsorber dementsprechend vielen Stufen einer Bruchbelastung gewachsen sein.

Desweiteren ist aus der DE 37 44 349 A1 ein Verbundkörper zum Absorbieren von Energie bekannt, wie er beispielsweise bei Stoßstangenhalterungen verwendet wird, um die kinetische Energie bei einem Aufprall in Verformungsenergie umzuwandeln. In dieser Veröffentlichung wird vorgeschlagen, den Verbundkörper als zylindrischen, rohrförmigen Hohlkörper mit einem konstanten Innendurchmesser auszubilden. Desweiteren wird vorgeschlagen, den Querschnitt des Verbundkörpers in Richtung der Druckbeaufschlagung bezüglich seiner Querschnittsfläche oder Querschnittsform zu verändern.

Ein in einem Ausführungsbeispiel beschriebener rohrförmiger Verbundkörper besteht aus mehreren Faserlagen, die unter unterschiedlichen Winkeln bezüglich der Druckbeaufschlagungsrichtung übereinander gewickelt sind.

Als weiteres Ausführungsbeispiel ist ein Verbundkörper gezeigt, der im wesentlichen aus einer rechteckigen Platte besteht, die quer zur Druckbeaufschlagungsrichtung wellenförmig ausgebildet ist.

Solche Verbundkörper haben jedoch den Nachteil, daß sie, wenn sie eine hohe Energieabsorption aufweisen, relativ hohen Anfangsbelastungen standhalten bzw. sich nur leicht verformen, bis zu dem Zeitpunkt, an dem sie beginnen, sich zu deformieren. Das hat zur Folge, daß erst ein relativ harter Stoß erfolgt, bis die Stoßenergie von der beginnenden Deformation des Energieabsorbers aufgenommen wird.

Deshalb liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Energieabsorber zu schaffen, bei dem der übertragene Stoß reduziert wird, wobei gleichzeitig der Betrag der Energieabsorption erhöht wird.

Diese Aufgabe wird durch einen Verbundkörper mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Beim Gebrauch ist der Energieabsorber so befestigt, daß eine Druckbelastung aus der Axialrichtung des zylindrischen Abschnitts aufgenommen wird. Wenn die axialgerichtete Belastung auf den Energieabsorber aufgebracht wird, beginnt der Bruch und verteilt sich allmählich von der ersten Endseite des dünnen Abschnittes, z. B. von dem Ende, das eine kleinere Querschnittsfläche hat. Der Bruch erzeugt eine Zwischenschichttrennung in der Umfangsrichtung längs der Fasern und die Zwischenschichttrennung schreitet allmählich zum Ende fort, das eine größere Querschnittsfläche hat. Nachdem der Bruch des dünnen Abschnittes abgeschlossen ist, beginnt der Bruch des dicken Abschnittes. Das heißt, daß diese Abschnitte des Energieabsorbers, die verschiedene Dicken haben, in Verbindung mit mehreren Druckbelastungsstufen brechen. Zu dem Zeitpunkt, an dem am Energieabsorber ein Bruch aufgrund des Drucks auftritt, steigt deshalb die Belastungsstufe Schritt für Schritt, wobei eine Belastungsstufe nahezu konstant gehalten wird. Wenn der Energieabsorber durch die Druckbelastung, die aus der Axialrichtung aufgebracht wird, bricht, tritt der Bruch überall auf dem zylindrischen Abschnitt auf, um die Energie zu absorbieren. Daraus folgt eine höhere Energieabsorptionsaktivität, bezogen auf das Absorbergewicht.

Weitere vorteilhafte Merkmale der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der beigefügten Ansprüche.

Zum besseren Verständnis der Erfindung, zusammen mit ihrer Aufgabe und ihren Vorteilen, werden nachfolgend besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die dazugehörigen Zeichnungen beschrieben:

Fig. 1 ist eine schematische Perspektivansicht eines Energieabsorbers gemäß einem ersten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel.

Fig. 2 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Flächeninhalt der Endfläche des ersten Endes des Energieabsorbers und der Maximalbelastung beim Bruchbeginn erläutert, wenn sich das Verhältnis des Flächeninhaltes jener Endfläche und des Flächeninhalts des zylindrischen Abschnittes ändert.

Die Fig. 3 und 4 stellen Kurven von Druckbelastungen dar, bzw. den Versatzbetrag, wenn die axial gerichtete Belastung auf den Energieabsorber aufgebracht wird.

Fig. 5 ist eine schematische Perspektivansicht eines Energieabsorbers, zum Vergleich mit dem Energieabsorber aus Fig. 1.

Fig. 6 stellt eine Kurve der Druckbelastung, bzw. des Versatzbetrages dar, wenn die axial gerichtete Belastung auf den vergleichbaren Energieabsorber aus Fig. 5 aufgebracht wird,

Fig. 7 ist eine schematische Perspektivansicht eines Energieabsorbers nach einem zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel.

Fig. 8 stellt eine Kurve der Druckbelastung, bzw. den Versatzbetrag dar, wenn die axial gerichtete Belastung auf den Energieabsorber gemäß Fig. 7 aufgebracht wird.

Fig. 9 ist eine schematische Perspektivansicht einer Abwandlung des Energieabsorbers.

Fig. 10 ist eine schematische Teilansicht einer anderen Abwandlung des Energieabsorbers.

Fig. 11 ist eine schematische Perspektivansicht eines herkömmlichen Stoßschutzgegenstandes.

Nachfolgend wird ein erstes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 6 beschrieben.

Wie in Fig. 1 gezeigt, hat ein Körper 1 eines Energieabsorbers einen dünnen Abschnitt 2 und einen dicken Abschnitt 3 und ist bei konstantem Innendurchmesser zylindrisch geformt. Seine Dicke variiert in 2 Stufen entlang der Achse. An einem ersten Ende des Körpers 1 oder dem von dünnen Abschnitt zwei entfernten Endabschnitt ist ein kegelförmiger Abschnitt 4 gebildet. Der kegelförmige Abschnitt 4 ist so gebildet, daß der Außendurchmesser in Richtung dem ersten Ende abnimmt. Anders ausgedrückt ist der dünne Abschnitt 2 so geformt, daß die Querschnittsfläche der entfernten Endseite sich kontinuierlich in der Axialrichtung zum Mittelabschnitt des dünnen Abschnitts 2 vom ersten Endabschnitt her ändert.

Der Energieabsorber ist aus FRP (faserverstärkter Kunststoff (fibre reinforced plastic)) gebildet, das ein synthetisches Harz ist, verstärkt mit einer Faser 5 als verstärkende Fasern. Die Faser 5 ist in der Umfangsrichtung herumgewickelt. Eine Endfläche 1a des ersten Endes des Körpers 1 hat einen Flächeninhalt, der gleich oder kleiner als 2/3 des Querschnittsflächeninhaltes des dünnen Abschnitts 2 ist, vorzugsweise gleich oder kleiner als die Hälfte davon. Wenn eine Dickendifferenz zwischen den dünnen und den dicken Abschnitten 2 und 3 zweimal oder mehr der Dicke des dünnen Abschnitts 2 entspricht, ist es wirkungsvoll, einen durchgehenden Abschnitt zwischen den dünnen und dicken Abschnitten kegelförmig zu bilden, um eine anormale Belastungsänderung während des Bruchs zu reduzieren.

Zur Herstellung dieses Energieabsorbers wird zuerst ein FRP- Zylinder durch ein Faserwicklungsverfahren geformt. Dann wird der kegelförmige Abschnitt 4 durch eine Schneidbearbeitung gebildet. Im Faserwicklungsverfahren wird, nachdem eine Faser (in diesem Ausführungsbeispiel ein Glasfaserfaden) während sie mit einem Harz getränkt wird um einen Dorn gewickelt wird, das Harz thermisch ausgehärtet, um einen FRP-Zylinder zu schaffen. Der dünne Abschnitt 2 und der dicke Abschnitt 3 können durch Ändern der Anzahl an Umdrehungen der Faser entsprechend der Dicke zum Zeitpunkt der Faserwicklung gebildet werden. Alternativ dazu kann die Faser um den Dorn herum gewickelt werden, wobei sich die Dicke des dicken Abschnitts 3 über die gesamte Länge erstreckt. Nachdem das Harz ausgehärtet ist, kann jener Abschnitt des Zylinders, der zum dünnen Abschnitt 2 werden soll, zum dünnen Abschnitt 2 gemacht werden.

Um als Träger für eine Stoßstange oder als Stoßdämpfer zu dienen, auf den eine Last direkt aufgebracht wird, ist dieser Energieabsorber so angeordnet, daß er eine Druckbelastung aus der Axialrichtung des Körpers 1 aufnimmt. Wenn eine axial berichtete Belastung auf den zylindrischen Energieabsorber aufgebracht wird, bei dem die verstärkten Fasern in Umfangsrichtung gewickelt sind, um diesen zu brechen, tritt der Bruch überall auf dem Energieabsorber um den Körper herum auf, um die Energie zu absorbieren. Sogar obwohl das Material für den Energieabsorber leicht ist, absorbiert dieser Energieabsorber deshalb einen großen Energiebetrag und hat somit eine hervorragende Energieabsorptionseffektivität.

Je näher die Faserwicklungsrichtung der Umfangsrichtung senkrecht zur Köperachse kommt, desto mehr werden alle Faserschichten parallel zueinander. Dies reduziert den Zwischenraum zwischen den kompliziert angeordneten Fasern, wobei der Anteil an zu füllenden Fasern erhöht wird. Es ist die Faser, die hauptsächlich einer von außen auf den Energieabsorber aufgebrachten Belastung widersteht. Je größer der Faserfüllungsanteil ist, desto größer ist die Belastung, der die Fasern widerstehen können und desto größere Energie kann absorbiert werden.

Da die Faserschichten parallel angeordnet sind, tritt eine schräge Verschiebung zwischen den Faserschichten bei einer Belastung senkrecht zur Schichtanordnung an vielen Abschnitten auf, so daß der Energieabsorber in viele kleine ringförmige Stücke bricht. Sogar bei dem gleichen Materialgewicht des Energieabsorbers, kann dieser Energieabsorber mehr Energie absorbieren.

Die Faser ist in Mehrschichten gewickelt, die so angeordnet sind, daß die äußere Faser dieselbe Neigung hat, jedoch in der entgegengesetzten Richtung wie die Faser hat, die direkt unter der vorhergehenden Faser liegt. Deshalb ist die Faser um so weiter entfernt von der Ebene senkrecht zur Körperachse angeordnet, je größer der Schnittwinkel zwei sich treffender Faserschichten wird. Weiterhin wird der Zwischenraum zwischen den Fasern, der durch die gestörte Parallelität der Fasern entsteht, die dieselbe Schicht bilden, groß und schafft als Ganzes eine Netzkonstruktion. Wenn eine axialgerichtete Belastung im oben beschriebenen Zustand aufgebracht wird, verformt sich der zylindrische Körper bei einer kleinen Belastung leicht. Dies reduziert den Betrag an Energieabsorption und ist somit unerwünscht. Es ist deshalb vorzuziehen, daß die in der Umfangsrichtung des Körpers zu wickelnde Faser so senkrecht wie möglich zur Körperachse angeordnet ist.

Der Querschnittsflächeninhalt des ersten Endes des Körpers 1 des Energieabsorbers wird kontinuierlich in Richtung der ersten Endfläche 1a des ersten Endes klein. Wenn eine axialgerichtete Belastung auf diesen Energieabsorber aufgebracht wird, beginnt der Bruch und verteilt sich allmählich ausgehend von dem Abschnitt mit einem kleineren Querschnittsflächeninhalt. Die daraus hervorgehende Zwischenschichttrennung entlang der Richtung der Faseranordnung (Umfangsrichtung) nimmt allmählich in Richtung des Abschnittes mit einem größeren Querschnittsflächeninhalt zu und erreicht den gesamten zylindrischen Abschnitt. Obwohl eine Veränderung der Belastung aufgrund der Zwischenschichttrennung besteht, ändert sich die Belastung, die insgesamt auf den Energieabsorber wirkt, während eine Belastungsstufe fast konstant gehalten wird, und der Energieabsorber kann während dem Belastungswechsel einen großen Energiebetrag absorbieren.

Andererseits, wenn die Querschnittsfläche des Zylinderkörpers in der Axialrichtung konstant ist, wirkt die gesamte Last gleichmäßig auf den gesamten Querschnitt des Zylinderkörpers, wenn eine Druckbelastung aus der Axialrichtung aufgebracht wird. Der Zylinderkörper verhält sich wie ein einzelner, starrer Körper und widersteht einer großen Belastung, die gleich oder größer als eine Durchschnittsbelastung ist. Wenn in diesem Zustand Zwischenschichttrennung am schwächsten Punkt des Zylinderkörpers auftritt und einen Scherbruch verursacht, breitet sich der Riß sofort aus, um den Zylinderkörper zu brechen und endet in einem plötzlichen großen Lastabfall. Danach steigt die Belastung allmählich auf die spezielle, zu dem Querschnittsflächeninhalt des Zylinderkörpers gehörende, Stufe an. Die Verformung des Zylinderkörpers schreitet fort, während jene Belastung gehalten wird und der Zylinderkörper absorbiert die Bruchenergie während der Verformung. In diesem Zustand wird jedoch der gesamte Betrag an Energieabsorption durch den Zylinder sehr gering, da die Belastung, die durch den Zylinderkörper aufgenommen wird, geringer ist, wenn er einmal gebrochen ist, als die Belastung vor dem Bruch und die für eine Weile auf jener Stufe gehalten wird. Dies ist der Fall, weil die Energie, die vom Zylinderkörper absorbiert wird, durch das Produkt des Versatzbetrages des Zylinderkörpers und der Belastung und der Belastungsstufe nach dem Bruch gering eingeschätzt wird.

Der Flächeninhalt der ersten Endeoberfläche 1a des Energieabsorbers und der Neigungswinkel des kegelförmigen Abschnitts 4 bezüglich der Achse des Körpers 1 hängen von der zulässigen Maximalbelastung und der Belastungsgeschwindigkeit zur Zeit der Druckverformung ab. Um die Maximalbelastung, die erzeugt werden soll, zu reduzieren, sollte der Flächeninhalt der ersten Endfläche 1a kleiner gemacht werden. Bei einer hohen Belastungsgeschwindigkeit ist es vorzuziehen, daß der Neigungswinkel groß ist.

Fig. 2 zeigt die Maximalbelastung am Bruchbeginn, wenn sich der Flächeninhalt der Endfläche des Zylinderkörpers ändert, während die Spitze der Dauerbelastung aufgenommen wird, wenn bei "1" der Zylinderköper allmählich bricht. Wenn der Flächeninhalt der Endfläche gemäß Fig. 2 abnimmt, fällt die Maximalbelastung bei Bruchbeginn linear. Die gerade Linie kreuzt die speziell zu dem Zylinderkörper gehörende Linie der Bruchlast (Höchstwert ist 1), die gegeben ist, wenn der Zylinderkörper allmählich vom Endabschnitt ausgehend bricht. In Anbetracht der Abweichung von Daten, wenn der Flächeninhalt des Endabschnittes gleich oder kleiner als 2/3 des Flächeninhalts des Zylinderkörpers ist, wird die Anfangsbruchlast kleiner als die Dauerbruchlast. In diesem Fall wird ein größerer Energieabsorptionseffekt erhalten, während der Stoß aus dem Zusammenstoß entspannt wird. Deshalb sollte der Flächeninhalt der Endfläche 1a des ersten Endes des Energieabsorbers gleich oder kleiner als 2/3 des Querschnittsflächeninhaltes des anderen Abschnittes des dünnen Abschnitts 2 sein, als des kegelförmigen Abschnitts 4.

Für unterschiedliche Energieabsorber, bei denen die Faseranordnungen in den Zylinderkörpern annähernd dieselben sind, ist die Bruchlast fast proportional zum Querschnittsflächeninhalt. Da der Zylinderkörper des Energieabsorbers dieses Ausführungsbeispieles zwei Dickestufen hat, wird die Belastung bei der ersten Stufe gehalten, bis der Bruch des dünnen Abschnitts 2 abgeschlossen ist. Danach beginnt der dicke Abschnitt 3 zu brechen, und die Belastung steigt auf die zweite Stufe. Das heißt, daß dieser Absorber alleine zwei unterschiedlichen Zusammenstoßgeschwindigkeiten gewachsen ist.

Um den Energieabsorber in einem beweglichen Körper, wie beispielsweise in einem Auto, in einem Zustand zu benützen, in dem dieser Absorber eine Belastung direkt und nicht durch eine Stoßstange oder Ähnliches aufnimmt, ist es wünschenswert, daß der Energieabsorber so angeordnet ist, daß sein erstes Ende in die Richtung zeigt, aus der am wahrscheinlichsten die Belastung aufgebracht wird. Mit anderen Worten, wenn der Energieabsorber nahe dem Mittelpunkt der Vorder- oder Rückseite des beweglichen Körpers angeordnet werden soll, sollte er parallel zu der Richtung der Vorwärts- oder Rückwärtsbewegung angeordnet sein. Wenn der Energieabsorber an einem Seitenabschnitt des beweglichen Köpers angeordnet werden soll, sollte das erste Ende des Energieabsorbers schräg in Vorwärts oder Rückwärtsrichtung zeigen.

Es folgt eine ausführlichere Beschreibung des Energieabsorbers, der mit Glasfasern gefertigt wurde (Produktname: 2310tex), der einen Faserdurchmesser von 13 µm und Epoxidharz als Kunstharz hat.

Es wurden Glasfasern in einer annähernden Ringform um einen Dorn mit einem 50 mm Durchmesser herumgewickelt, während sie mit einer Epoxidharz-Zusammensetzung, die einen Härter enthält, getränkt wird, um einen Zweistufenzylinder zu schaffen. Der dünne Abschnitt 2 des Zylinders war 4 mm dick und 30 mm lang und der dicke Abschnitt 3 war 5 mm dick und 60 mm lang. Dieser Zylinder wurde für acht Stunden in einen Heißluftofen plaziert, um das Harz auszuhärten. Dann wurde der Zylinder von dem Dorn entfernt und es ist ein Energieabsorber mit einer Faserfüllrate von 65% entstanden. Der kegelige Abschnitt 4 wurde durch eine Schneidbearbeitung geformt. Die Grenze zwischen dem dünnen Abschnitt 2 und dem dicken Abschnitt 3 war leicht kegelförmig aufgrund der schrittweisen Anordnung der gewickelten Fasern. Der Flächeninhalt der Endfläche 1a des ersten Endes wurde auf 1/3 der Querschnittsfläche des anderen Abschnittes als den kegelförmigen Abschnitt 4 festgesetzt. Der Winkel des kegelförmigen Abschnitts 4 bezüglich der Achse des Energieabsorbers betrug 60°.

Ein anderer FRP-Zylinder, der 5 mm dick und 90 mm lang war, wurde durch Wickeln von Glasfasern in einer annähernden Kreisform um einen Dorn mit 50 mm Durchmesser geschaffen, während er mit einer Epoxidharz-Zusammensetzung, die einen Härter enthält, auf die gleiche Art und Weise wie im vorgehend beschriebenen Energieabsorber getränkt wurde. Dann wurde der Ring erhitzt, um das Harz auszuhärten. Dieser FRP-Zylinder wurde einer Schneidbearbeitung unterzogen, um den dünnen Abschnitt 2 und den kegelförmigen Abschnitt 4 zu schaffen. Somit wurde ein Energieabsorber geschaffen, der die gleiche Form wie der vorherige Energieabsorber hat.

Es wurde das Verhältnis zwischen der Druckbelastung und dem Versatzbetrag gemessen, wenn die Belastung auf beide Energieabsorber aus der Axialrichtung aufgebracht wurde. Die Kompression wurde durchgeführt, bis der Abstand zwischen beiden Endflächen jedes Energieabsorbers ungefähr 50 mm wurde. Die Ergebnisse sind in den Fig. 3 und 4 gezeigt, wobei erstere die Charakteristik des Energieabsorbers zeigt, bei dem nur der kegelförmige Abschnitt durch eine Schneidbearbeitung gebildet wurde, während die letztere die Charakteristik des Energieabsorbers zeigt, bei dem auch der dünne Abschnitt 2 durch eine Schneidbearbeitung in die gewünschte Form gebracht wurde.

Als ein Vergleichsmuster wurde ein Energieabsorber 6, der keinen kegelförmigen Abschnitt an dem ersten Ende gemäß Fig. 5 hat, vorbereitet. Es wurde das Verhältnis zwischen der Druckbelastung und dem Versatzbetrag gemessen, wenn die Belastung auf diesem Energieabsorber aus der Axialrichtung aufgebracht wurde, wie in den vorherstehenden zwei Fällen. Die Ergebnisse sind in Fig. 6 gezeigt.

Nachdem bei dem Energieabsorber 6, der keinen kegelförmigen Abschnitt am ersten Ende hat, eine große Belastung bei Kompressionsbeginn erzeugt wird, fällt die Belastung vorübergehend und steigt dann anschließend, wie in Fig. 6 gezeigt. Gemäß den Fig. 3 und 4 wird bei den Energieabsorbern, die den kegelförmigen Abschnitt an dem ersten Ende haben, jedoch keine große Belastung bei Kompressionsbeginn erzeugt. Zusätzlich ändert sich die Belastung in zwei Stufen. Das heißt, daß die Energieabsorptionsstufe eines jeden Energieabsorbers, der den kegelförmigen Abschnitt 4 am ersten Ende hat, in zwei Stufen wechselt, in Verbindung mit einem Zweistufenwechsel der Dicke des Absorbers. Der Energieabsorber, bei dem die Dickendifferenz durch eine Schneidbearbeitung hergestellt wurde, hat einen etwas kleineren Belastungswechsel als der Energieabsorber, bei dem die Dickendifferenz während dem Wickeln der Fasern um den Dorn hergestellt wurde. Jedoch wurde kein wesentlicher Unterschied zwischen beiden Energieabsorbern festgestellt.

Der Energieabsorber dieses Ausführungsbeispiels, dessen Energieabsorptionsgrad in zwei Stufen wechselt, ist zur Abstimmung des Aktivierungssensors eines Airbags geeignet.

Nachfolgend wird ein zweites Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die Fig. 7 und 8 beschrieben. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel in der Gestalt des ersten Endes des Körpers 1 oder der Gestalt des von dem dünnen Abschnitt 2 entfernten Endes. Wie in Fig. 7 gezeigt, hat dieser Energieabsorber keinen kegelförmigen Abschnitt am vom dünnen Abschnitt 2 entfernten Ende und hat den vom dünnen Abschnitt 2 entfernten Endabschnitt schräg abgeschnitten. Es sind zwei solche abgeschnittenen Abschnitte vorhanden, so daß zwei symmetrisch geneigte Flächen 7, die einen vorbestimmten Winkel gegenüber der Ebene haben, die senkrecht zur Achse des Absorbers stehen, gebildet werden. Mit anderen Worten hat jener Abschnitt des dünnen Abschnitts 2, der den geneigten Flächen 7 entspricht, einen Querschnittsflächeninhalt, der in der Axialrichtung zur Mitte des dünnen Abschnitts 2 von der Endfläche 1a kontinuierlich ansteigt.

Zur Herstellung dieses Energieabsorbers wird ein FRP-Zylinder vorbereitet und der dünne Abschnitt 2 wird durch eine Schneidbearbeitung wie im Fall des ersten Ausführungsbeispiels geformt. Dann wird das erste Ende des dünnen Abschnitts 2 an zwei Abschnitten unter einem vorbestimmten Winkel abgeschnitten und man erhält somit den Energieabsorber.

Es wurde das Verhältnis zwischen der Druckbelastung und dem Versatzbetrag gemessen, wenn die axial gerichtete Belastung auf diesen Energieabsorber mit dem dünnen Abschnitt 2 mit einer Dicke von 4 mm, dem dicken Abschnitt 3 mit einer Dicke von 5 mm und der geneigten Oberfläche 7 mit einem Neigungswinkel von 30° aufgebracht wurde. Die Ergebnisse sind in Fig. 8 gezeigt.

Wie die Energieabsorber des ersten Ausführungsbeispiels, erzeugte dieser Energieabsorber keine große Belastung zu Beginn der Kompression und besaß zwei Stufen der Energieabsorption (siehe Fig. 8). Insbesondere, da der Querschnittsflächeninhalt des dünnen Abschnitts 2 von dem entfernten Ende allmählich ansteigt, beginnt und verteilt sich der Bruch allmählich von dem Abschnitt mit einem kleineren Querschnittsflächeninhalt aus. Die daraus resultierende Zwischenschichttrennung längs der Richtung der Faseranordnung (Umfangsrichtung) steigt allmählich an und erreicht den gesamten zylindrischen Bereich.

Obwohl hier nur zwei erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele beschrieben wurden, sollte dem Fachmann klar sein, daß die vorliegende Erfindung in vielen anderen speziellen Formen ausgeführt sein kann, ohne den Gedanken und Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Beispielsweise kann die Anzahl der dünnen Abschnitte 7 auf einen, wie in dem zweiten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 9 gezeigt, geändert werden, oder sie kann auf drei oder mehr erhöht werden. Je weniger geneigte Flächen 7 vorhanden sind, desto mehr ist dies, in Anbetracht der Energieabsorption bezüglich einer schiefen Belastung, oder um die Anzahl an dazugehörigen Arbeitsschritten zur Kostenreduzierung zu verringern, vorzuziehen. Wenn die Achsenausrichtung des druckorientierten Verhaltens des Energieabsorbers eliminiert werden soll, wäre es besser, die Anzahl an geneigten Flächen 7 zu erhöhen, um eine ausgeglichene Form des ersten Endes zu schaffen. Weiterhin könnte die Form der abgeschnittenen Fläche beim Wegschneiden eines Teils des Zylinderkörpers senkrecht zur äußeren Fläche gemäß Fig. 10 gestaltet werden.

Des weiteren könnte die Dicke des Zylinderkörpers in wenigstens drei Stufen verändert werden. In diesem Fall sollte die Dicke in einer Richtung aus dem folgenden Grund allmählich größer werden. Der Bruch des Energieabsorbers schreitet kontinuierlich und allmählich fort, so daß die gesamte Wand von einem Ende des Zylinderkörpers aus brechen wird, weil die Fasertrennung in der Umfangsrichtung, die am dünnen Abschnitt des Zylinderkörpers auftritt, allmählich mit einem Ansteigen der Belastung zum dicken Abschnitt fortschreitet. Wenn sich die Dicke des Zylinderkörpers willkürlich und nicht in der Reihenfolge ändert, würde der Bruch des Zylinderkörpers ebenso an willkürlichen Stellen fortfahren, in Verbindung mit einem Ansteigen der Belastung. Als Folge kann der verbleibende dicke Abschnitt aufgrund des Bruchs des Abschnitts, der den dicken Abschnitt tragen sollte, eine vorbestimmte Gestalt nicht mehr halten. Es ist deshalb sehr wahrscheinlich, daß der Energieabsorber aufgrund des Druckbruchs keine Energieabsorption aufweisen kann.

Während es vorzuziehen ist, daß der Zylinderkörper des Energieabsorbers unter dem Gesichtspunkt einer leichteren Herstellung ein Zylinder ist, kann er ein polyedrischer Zylinder sein. Um im letzteren Fall ein Auftreten einer anormalen Belastungskonzentration durch die winkligen Verbindungen zwischen den Ebenen zu verhindern, ist es vorzuziehen, daß die Verbindungen so gestaltet sind, daß sie gekrümmte Flächen haben. Dies ist so, weil die zwischen den in Umfangsrichtung angeordneten Fasern, auftretende Zwischenschichttrennung allmählich fortschreitet.

Das Harz, FRP, das die Grundlage darstellt, muß nicht auf Epoxidharz beschränkt sein, sondern kann ein aushärtbares Harz wie beispielsweise Phenolharz oder ungesättigtes Polyester sein. Ebenso kann es ein thermoplastisches Harz wie beispielsweise Polyester oder Polyamide sein. Weiterhin können Glasfasern als verstärkende Fasern durch andere verschiedene, funktionelle Fasern, die eine hohe Festigkeit haben, ausgetauscht werden, wie beispielsweise Karbonfasern oder Aramidfasern.

Der Energieabsorber kann zum Gebrauch unter dem Boden von Helikoptersitzen angepaßt sein.

Claims (4)

1. Energieabsorber aus einem faserverstärktem Verbundmaterial, ausgebildet als rohrförmiger Körper mit kreisringförmigem Querschnitt mit konstantem Innendurchmesser zur Belastungsaufnahme im wesentlichen in der Axialrichtung des Körpers (1),
dessen Faser annähernd senkrecht zur Axialrichtung des Körpers (1) gewickelt und mit Harz getränkt ist,
wobei die Querschnittsfläche des Körpers in Axialrichtung nicht konstant ist, dadurch gekennzeichnet, daß
der Außendurchmesser des Körpers (1) in Axialrichtung in wenigstens zwei Stufen schrittweise ansteigt, so daß ein dünner Abschnitt (2) und ein dicker Abschnitt (3) gebildet wird, und daß
die Endfläche (1a) eines Endbereiches des dünnen Abschnittes (2) einen Querschnittsflächeninhalt in einer Ebene senkrecht zur Axialrichtung des rohrförmigen Körpers hat, der gleich oder kleiner als 2/3 des Querschnittsflächeninhaltes des Abschnittes (2) nahe der Verbindung zwischen dem dünnen Abschnitt (2) und dem dicken Abschnitt (3) ist und der Querschnittsflächeninhalt des Abschnitts (2) in Richtung zur Mitte des dünnen Abschnitts (2) hin kontinuierlich ansteigt.

2. Energieabsorber gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein kegelförmiger Abschnitt (4) am ersten Ende ausgebildet ist, dessen Außendurchmesser in Richtung der Endfläche (1a) des ersten Endes von einer Mitte des dünnen Abschnitts (2) aus abnimmt.

3. Energieabsorber gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des Körpers (1) an der ersten Endseite schräg abgeschnitten ist.

4. Energieabsorber gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (1) eine Vielzahl an schräg abgeschnittenen Abschnitten hat, wobei die Abschnitte bezüglich der Achse des Körpers (1) zueinander symmetrisch sind.