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Bereich der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Fahrzeugaufbaustrukturen und insbesondere
Aufbaustrukturen, die ausgelegt sind, Energie im Falle eines Aufpralles
auf feste Hindernisse oder andere Fahrzeuge zu absorbieren.
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Hintergrund der Erfindung
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Personenkraftwagen
müssen
Insassenschutz in mehreren verschiedenen Frontalaufprallarten bieten:
bei Schrägaufprall,
versetztem Aufprall und senkrechtem Aufprall. Eine sorgfältige Konstruktion
der Blechstrukturen gewährleistet
eine Energieabsorption beim Aufprall, so daß von den Fahrzeuginsassen
erlittene Verzögerungen
oder das Eindringen von Teilen des Fahrzeuges in den Fahrgastraum
reduziert werden. Das Aufprallverhalten wird typischerweise über das
Maß gemessen,
um welches Gegenstände
in den Fahrgastraum eindringen, und über Verzögerungsmeßwerte von mit Instrumenten
versehenen Versuchspuppen, sogenannten "Dummies", wenn das Fahrzeug a) im typischen
Falle mit 30 mph frontal auf einen festen Betonblock aufprallt (senkrechter
Frontalaufprallversuch); b) mit einem zu einer Seite des Fahrzeuges
versetzten nachgiebigen Hindernis mit im typischen Falle 40 mph
zusammenstößt (versetzter
Frontalaufprallversuch); und c) mit einer festen Barriere kollidiert,
die im typischen Fall in einem Winkel von 45 Grad zum Fahrzeug angeordnet
ist. Der senkrechte Frontalaufprallversuch ist ausgelegt, die Wirkung
eines Frontalaufpralles auf ein festes Objekt zu simulieren. Der
seitlich versetzte Aufprallversuch ist ausgelegt, den Aufprall auf
ein anderes Fahrzeug zu simulieren, das in der entgegengesetzten
Richtung fährt,
jedoch um die Hälfte
der Fahrzeugbreite zum ersten Fahrzeug versetzt ist. Der Barriere-
oder Schrägaufprallversuch
simuliert einen Aufprall in einem Winkel auf ein festes Objekt.
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Seitenholme
oder Rahmenteile mit relativ großem Kastenprofil erstrecken
sich fahrer- und
beifahrerseitig auf beiden Seiten des Motors von der Fahrzeugstruktur
aus nach vorne. Ein vorderer Querholm erstreckt sich zwischen den
vorderen Enden der Seitenholme. Die Seitenholme sowie die Anbringung
der Befestigungspunkte für
den Motor und die Vorderradaufhängung
spielen eine wichtige Rolle bei Frontalzusammenstößen. Die
Seitenholme sind ausgelegt, bei einem Aufprall nachzugeben bzw.
geknautscht zu werden und so Energie zu absorbieren und die von
den Insassen erlittene Verzögerung
zu reduzieren. Das Nachgeben der Seitenholme senkt auch die Gefahr
des Eindringens der Seitenholme in den Fahrgastraum.
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Aus
der
EP 0 788 930 ist
es bekannt, Fahrzeugrahmenteile im Falle eines Aufpralles dadurch zu
versteifen, daß Druckgas
in einen im wesentlichen luftdichten Innenraum eingeleitet wird.
Wie beschrieben erlaubt dieses System, eine höhere Steifigkeit für ein Rahmenteil
mit einem gegebenen Gewicht zu erzielen.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung zufolge wird ein Fahrzeug gestellt,
mit einer Fahrzeugaufbaustruktur, welche einen Fahrgastraum bildet,
und das fahrer- und beifahrerseitige Seitenholme aufweist, die ausgelegt
sind, sich im Falle eines Frontalaufpralles zusammenstauchen zu
lassen, und Energie aus dem Aufprall zu absorbieren, so daß die Verzögerung des
Fahrgastraumes reduziert wird; sowie Verzögerungssensormittel; Mittel
zur Versteifung der jeweiligen Frontseitenholme durch Erhöhen des darin
enthaltenen Druckes; und auf die Verzögerungsmittel ansprechende
Mittel zur Auslösesteuerung
zur Unterscheidung zwischen zwei oder mehreren unterschiedlichen
Aufprallarten und zur selektiven Versteifung eines der beiden oder
beider Seitenholme in Abhängigkeit
von der Aufprallart; dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungssensormittel derart
wirken, daß sie
die Verzögerung
in Vorwärts- und
Seitenrichtung erfassen, und daß sie
zwischen unterschiedlichen Aufprallarten unterscheiden können, ausgehend
von der erfaßten
Höhe jeweils
der Vorwärts- und der Seitenverzögerung,
und daß die Auslösesteuermittel
derart wirken, daß sie
die Verstei fungsmittel in Abhängigkeit
von der so ermittelten Aufprallart aktivieren.
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Die
Erfindung ermöglicht
eine Lösung
bei einander widersprechenden Forderungen für die Konstruktion der Seitenholme,
insofern bei unterschiedlichen Aufprallarten unterschiedliche Steifigkeit
und Biegefestigkeit gefordert werden.
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Frontalzusammenstöße erzeugen
eine größere Verzögerung des
Fahrgastraumes als versetzte oder Schrägaufprallereignisse bei gegebener
Aufprallenergie, bewirken aber weniger Eindringen. Dadurch ist es
möglich,
einen Frontalaufprall im Gegensatz zu einem versetzten Aufprall
ausgehend von der gemessenen Verzögerung zu erfassen. Die Luftsäcke zur
Versteifung der Seitenholme werden dann aufgeblasen, wenn eine Anfangsverzögerung größer als
ein vorgegebener Schwellenwert gemessen wird. Eine Versteifung wird
für höhere Verzögerungswerte gefordert,
die kennzeichnend sind für
einen senkrechten oder schrägen
Aufprall.
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Ein
versetzter Aufprall auf eine verformbare Barriere führt in der
Regel zu niedrigeren Verzögerungen
für die
Fahrzeuginsassen und zu größerem Eindringen
der Fußraumwand.
Im allgemeinen neigen versetzte Aufprallsituationen dazu, einen "weicheren" Seitenholm zu erfordern,
als senkrechte Frontalzusammenstöße mit vergleichbarer
Heftigkeit.
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In
der vorliegenden Erfindung werden daher die Seitenholm-Luftsäcke bei
einem senkrechten Frontalaufprall entfaltet, wo eine steifere Struktur
erforderlich ist, werden aber nicht bei einem versetzten Aufprall
aufgeblasen, wo eine weichere Struktur erforderlich ist. Die Erfassung
der Aufprallarten kann dadurch bewerkstelligt werden, daß Verzögerungsmerkmale überwacht
werden, oder durch Messen der Differenz zwischen zwei auf jeweils
gegenüberliegenden
Seiten des Fahrzeuges angebrachten Sensoren, im typischen Falle
je ein Sensor an jedem Seitenholm oder an gegenüberliegenden Enden des vorderen
Querholmes.
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Luftsacksysteme
werden dank hoher Einsatzzahlen immer billiger. Sensoren für Luftsacksysteme,
die unterschiedliche Aufprallarten und -Heftigkeiten erfassen können, stehen
jetzt auch zur Verfügung.
Ihr Haupteinsatzgebiet ist die Steuerung weniger aggressiver Luftsackentfaltung
bei weniger heftigen Kollisionen und damit die Senkung der Verletzungsgefahr
der Fahrzeuginsassen beim Entfalten des Luftsackes oder Airbag.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnungen
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Die
Erfindung soll nun mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beispielartig
näher erläutert werden.
Dabei zeigt:
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1:
eine schematische Draufsicht auf einen die Erfindung verkörpernden
Personenkraftwagen, welche Teile der Aufbaustruktur zeigt, die hauptsächlich von
der Absorption von Energie aus Frontalzusammenstößen betroffen sind;
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2:
eine detaillierte perspektivische Ansicht eines Seitenholmes eines
die Erfindung verkörpernden
Fahrzeuges;
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3:
ein Diagramm der Struktur der Erfindung zu einem frühen Zeitpunkt
im Verlauf eines Aufpralles auf eine versetzte Barriere (versetzte
Aufprallart);
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4:
ein Diagramm der Struktur der Erfindung zu einem frühen Zeitpunkt
bei einem senkrechten Aufprall auf eine Barriere (senkrechter Frontalaufprall);
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5:
ein Diagramm der Struktur der Erfindung zu einem frühen Zeitpunkt
bei einem Aufprall auf eine schräg
stehende Barriere (Schrägaufprall);
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6:
einen Graphen, der die gemessene Verzögerung im Fahrgastbereich für ein die
Erfindung verkörperndes
Fahrzeug darstellt und typische Kurven für die senkrechte Frontalaufprall-
und die versetzte Aufprallart zeigt; und
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7:
eine Tabelle, welche die Entfaltungsstrategie für den Seitenholm-Airbag bei
unterschiedlichen Aufprallarten zeigt.
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Beschreibung, der bevorzugten
Ausführungsformen im
einzelnen
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Es
sei nun Bezug genommen auf 1, wo ein
Personenkraftwagen 10 mit Frontantrieb Vorderräder 12 und
Hinterräder 13 aufweist,
die an einer in Umrißlinien
bei 11 dargestellten Aufbaustruktur angebracht sind. Die
Aufbaustruktur beinhaltet fahrer- und beifahrerseitige Seitenholme 14 und 15,
die sich in einer Richtung nach vorne und hinten zu beiden Seiten
eines Motors 16 erstrecken. Der Motor treibt die Vorderräder 12 über ein
Getriebe 17 und Antriebswellen 18 und 19 an.
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Ein
vorderer Querholm 20 erstreckt sich zwischen den vorderen
Enden der Seitenholme 14 und 15. Die hinteren
Enden der Seitenholme sind in bekannter Art und Weise so an der
Aufbaustruktur befestigt, daß Lasten
von den Seitenholmen auf die (nicht dargestellte) Hauptaufbaustruktur
verteilt werden. Motor und Getriebe 16, 17 und
die Vorderradaufhängung
können
an den Seitenholmen angebracht sein.
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Der
vordere Querholm ist ausreichend stark, um den Großteil der
aus einem Frontalaufprall resultierenden Belastung an die Seitenholme
abzuleiten.
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Jeder
Seitenholm 14, 15 ist in einem kastenförmigen Querschnitt
ausgebildet, wie aus 2 ersichtlich ist. Zwei hutförmige Profile 21 und 22 werden
dazu entlang Schweißnähten 23 zusammengeschweißt, so daß sie den
Kastenquerschnitt bilden. In beide hutförmige Profile sind Einbuchtungen 24 eingeformt,
so daß sie
im Falle eines Frontalaufpralles ein kontrolliertes, energieschluckendes
axiales Zusammenstauchen oder "Knautschen" einleiten.
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Ein
Luftsack oder sogenannter Airbag 25, 26 von länglicher
zylindrischer Form ist im vorderen Ende jedes Seitenholms 14, 15 angeordnet.
Die Luftsäcke
sind normalerweise zusammengefaltet und drucklos (siehe 3).
Die für
diese Luftsäcke
verwendete Technologie ist dieselbe wie für Luftsäcke für den Insassenschutz, die in
den meisten modernen Fahrzeugen vor dem Fahrer und dem Beifahrer
angeordnet sind, sie sind jedoch in ihrer Form anders gestaltet.
Eine (nicht dargestellte) Aufblasvorrichtung am hinteren Ende jedes
Luftsackes 25, 26 ist über eine entsprechende Auslöse-Eingangsleitung 27, 28 mit
einer elektronischen Steuereinheit 29 verbunden, welche
Signale über
Leitungen 30, 37 und 38 jeweils von Verzögerungssensoren 31, 39 und 40 erhält. Der Sensor 31 ist
im Fahrgastraum angeordnet und so positioniert, daß er die
von den Insassen erfahrene Verzögerung
mißt.
Mögliche
Anbringungsorte für
den Sensor 31 sind der Kardantunnel oder eine der B-Säulen der
Aufbaustruktur. Die Sensoren 39 und 40 sind an
dem vorderen Querholm 20 in unmittelbarer Nähe der vorderen
Enden der Seitenholme 14, 15 angeordnet, um die
verschiedenen Verzögerungen zu
messen, die der fahrerseitige und der beifahrerseitige Teil des
Fahrzeuges erfahren, so daß sie
dadurch die Erkennung von versetzten oder schrägen Aufprallformen ermöglichen.
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Die
Sensoren 31, 39 und 40 können von
anderen Luftsacksystemen im Fahrzeug mitbenutzt werden.
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Im
entfalteten (aufgeblähten)
Zustand versteift jeder Luftsack 25, 26 den entsprechenden
Seitenholm 14, 15 und verhindert dadurch das Zusammenstauchen
oder erhöht
die axiale oder Biegebelastbarkeit, ab der es zum Zusammenbrechen kommt.
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3 zeigt
die Grundelemente der vorderen Endstruktur (Seitenholme 14 und 15 und
Querholm 20) im frühen
Stadium eines Aufpralles auf eine Barriere 36, wobei die
Aufprallfrontfläche 41 seitlich
gegenüber
der Fahrzeugmittelachse versetzt ist (versetzter Aufprall). 4 ist ähnlich 3,
zeigt aber das frühe
Stadium eines direkten Frontalaufpralls auf eine feste Betonbarriere 42 (senkrechter
Aufprall). 5 ist ähnlich wie 3 und 4,
zeigt aber einen Aufprall auf eine feste schrägstehende Barriere 43 (Schrägaufprall).
Es ist zu erkennen, daß bei
dem versetzten Aufprall und dem Schrägaufprall eine Seite des Fahrzeuges
dem größten Teil
des Aufpralles ausgesetzt ist und somit den größeren Teil der Aufprallenergie
absorbieren muß.
Im Falle der versetzten Aufprallart muß der Seitenholm auf der von
dem Aufprall betroffenen Seite leichter verformbar sein, damit sein
Eindringen vermieden wird. Beim Schrägaufprall ist Biegesteifigkeit
erforderlich, um eine effiziente Wirkung zu erzielen. Bei dem in 4 dargestellten
senkrechten Frontalaufprall stehen beide Seitenholme zur Verfügung, die
Aufprallenergie zu absorbieren, weil die Aufprallbelastung hier
im wesentlichen gleichmäßig verteilt
ist.
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Mit
Bezug auf 7 beschreibt nun die Tabelle
eine Methode und eine Strategie zum Entfalten der Seitenholm-Luftsäcke 25 und 26.
Die Verringerung der Eindringgefahr der Seitenholme in den Fahrgastraum
ist ein Hauptziel bei versetzten Aufprallereignissen, während bei
Schräg-
und senkrechtem Frontalaufprall die Senkung der Verzögerungsspitzen
wichtiger ist.
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Bei
Kollisionen mit niedriger Geschwindigkeit in einer beliebigen Aufprallart
braucht kein Seitenholm-Luftsack entfaltet zu werden. Bei senkrechten Frontalkollisionen
mit hoher Geschwindigkeit werden die Luftsäcke entfaltet, damit mehr Energie
beim Zusammenstauchen der Seitenholme getilgt wird. Bei Schrägaufprallereignissen
mit hoher Geschwindigkeit werden die Luftsäcke (oder wenigstens der aufprallseitige
Luftsack) entfaltet, um den Seitenholm auf der Aufprallseite zu
versteifen, so daß der
für diese
Aufprallart typische Biegevorgang mehr Energie absorbiert. Bei versetzten
Aufprallfällen
mit hoher Geschwindigkeit werden die Luftsäcke nicht aufgeblasen, so daß die von
den Seitenholmen an den Fahrgastraum weitergegebenen Kräfte reduziert
werden, und die Eindringgefahr gesenkt wird.
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Um
das Aufblähen
der Luftsäcke
nun für
unterschiedliche Aufprallarten selektiv durchzuführen, muß die elektronische Steuereinheit
(die auch andere Fahrzeug- oder Triebstrangkomponenten steuern kann)
zwischen den verschiedenen Aufprallarten unterscheiden. Es ist offensichtlich,
daß reale
Aufprallereignisse üblicherweise
nicht genau in die eine oder andere der beschriebenen Aufprallkategorien
fallen. Die Unterscheidung zwischen den Aufprallarten erfolgt notwendigerweise
anhand dessen, welche der so definierten Aufprallarten dem tatsächlichen
Aufprall am nächsten
kommt, und zwar anhand der gemessenen Verzögerungswerte und -Merkmale.
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5 zeigt
eine typische Variation der Verzögerung
(-ds/dt2) über der Zeit (t), wie sie vom
Verzögerungssensor 31 bei
einem versetzten Aufprall (Kurve 32) und bei einem direkten
Frontalaufprall (Kurve 33) gemessen wird. Es ist zu erkennen,
daß in
dem ursprünglichen
Zeitraum tI bei einem senkrechten Frontalaufprall
eine größere Verzögerungszunahme
bei gegebener Geschwindigkeit vorliegt, als bei einem versetzten
Aufprall mit gleicher Geschwindigkeit. Es wird ein Schwellenwert
einer mittleren Anfangsverzögerungsrate
D ermittelt (dargestellt in 5 durch
die Steigung der Linie 34), und Aufprallereignisse mit
einer größeren Anfangsverzögerungsrate
als D werden von der ECU 29 als direkte Frontalaufprallzustände identifiziert.
Solche Aufprallereignisse mit einer Anfangsverzögerungszunahme, die zwischen
einem unteren Schwellenwert E (Linie 35) und D liegen,
werden von der ECU als versetzter Aufprall identifiziert, oder als
direkte Frontalzusammenstöße mit geringer
Heftigkeit. Der untere Schwellenwert E ist so gewählt, daß unterhalb
E der Aufprall nicht stark genug ist, eine Auslösung der Luftsäcke 14, 15 selbst
bei senkrechtem Frontalaufprall zu erfordern. Der Anfangszeitraum
tI wird ausreichend lang gewählt, eine
Bestimmung der Anfangsverzögerungsrate
zu erlauben, jedoch ausreichend kurz, noch Zeit für eine wirksame
Entfaltung der Luftsäcke zu
erlauben, wenn dies erforderlich ist.
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Schrägaufprallsituationen
werden erkannt, wenn einer der vorderen Sensoren 39, 40 eine
höhere
Verzögerung
mißt,
oder wenn eine Querbeschleunigung (Richtung X) gemessen wird, die
größer als ein
vorgegebener Wert ist.
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ECU 29 sendet
Auslösesignale
an die Luftsäcke 14, 15 nur
dann, wenn die ursprüngliche
Verzögerungszunahme
zwischen E und D liegt, oder wenn über die Sensoreingänge ein
Schrägaufprall
an die elektronische Steuereinheit gemeldet wird. Nochmal Bezug
auf die 3, 4 und 5 nehmend ist
erkennbar, daß diese
Art der Steuerung der Entfaltung der Luftsäcke eine maximale Steifigkeit
der Seitenholme bei senkrechten Aufprallarten gewährleistet,
um so die größtmögliche Energieabsorption
zu sichern, sowie steife Seitenholme, die eine erhöhte Biegefestigkeit
in Schrägaufprallsituationen
bieten, daß sie
jedoch eine Versteifung der Seitenholme bis auf einen Wert vermeidet,
bei dem unter versetzten Aufprallbedingungen die Gefahr des Eindringens
der Holme erhöht
würde.
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Die
Technologie zur raschen Erfassung von Fahrzeugaufprallbedingungen
und zur Auslösung der
Entfaltung der Luftsäcke
für Fahrgastraum-Luftsacksysteme
ist bereits weit entwickelt und kann auf die Entfaltung der Luftsäcke in den
Seitenholmen gemäß der vorliegenden
Erfindung übertragen
werden, siehe hierzu z.B. die US-Patentschriften
5,790,404 ,
5,449,198 und Re. 36,122.