DE60027521T2

DE60027521T2 - Energieabsorbierender, biegender Scherstreifen

Info

Publication number: DE60027521T2
Application number: DE60027521T
Authority: DE
Inventors: Stanley Tempe Desjardins; Gary Gilbert Brown
Original assignee: Simula Inc
Current assignee: BAE Systems Simula Inc
Priority date: 1999-10-21
Filing date: 2000-10-20
Publication date: 2006-12-14
Anticipated expiration: 2020-10-21
Also published as: EP1094240A3; EP1094240A2; IL139111A; US6394241B1; EP1094240B1; DE60027521D1; IL139111A0

Description

HINTERGRUND
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Energie absorbierende Vorrichtungen. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Energie absorbierende und Last begrenzende Vorrichtung, die in einer großen Vielfalt von Anwendungen eingesetzt werden kann, wie Hubschrauber-, Flugzeug- und Raumfahrzeugsitzmechanismen, Kraftfahrzeug- oder Flugzeugsicherheitsgurtverankerungen, Frachtgut- oder Schwerlasthaltegurten, Kraftfahrzeugstoßdämpferbefestigungen und kollabierbaren Lenksäulen.
Hintergrund der Erfindung
Die meisten bekannten Energie absorbierenden Vorrichtungen nutzen entweder Verbiegen oder Abscheren zur Absorption von Energie durch Umwandlung von kinetischer Energie in Arbeit aus. Die meisten bekannten Energieabsorber verwenden auch mehrere Komponenten, was die Kosten und Komplexität dieser Vorrichtungen erhöht.
US-A-4 358 136 beschreibt eine Energie absorbierende Vorrichtung zur Verwendung mit einem Fahrzeugsitzgurt. Dieser Energieabsorber erfordert mehrere Teile, einschließlich eines Gehäuses und eines Metallbandes. Die Energieabsorption dieser Vorrichtung ist eine Funktion von Reibung und plastischer Verformung des Metallbandes, jedoch nicht von Abscherung. Reibungslasten variieren in Abhängigkeit der Betätigungsgeschwindigkeit und können durch Kontamination, wie beispielsweise durch Öl oder Schmutz verändert werden.
US-A-5 639 144 beschreibt eine Energie absorbierende Kindersitzverankerung. Diese Vorrichtung verwendet eine Kombination aus Abscherung und plastischer Verformung einer Platte zur Energieabsorption. Die Gewichtseffektivität der Vorrichtung ist jedoch begrenzt wegen der einzigen Abscherplatte und des begrenzten Biegeumfangs, der im Betrieb auftritt. Weil die Abscherung und plastische Verformung einem spiralförmigen Weg folgen, kann die vom Absorbierer aufgenommene Last in der Praxis kein konstanter Wert sein oder keinem passenden Profil folgen. Außerdem spricht der Absorbierer wirksam nur auf Lasten an, die im Wesentlichen senkrecht auf die Platte einwirken.
GB-A-1 390 889 beschreibt einen Energieabsorber mit einer Platte, einer Lasche aus einem einzelnen Streifen und zwei Seilen aus geschwächtem Material.
ÜBERSICHT ÜBER DIE ERFINDUNG
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Energieabsorber angegeben, wie in Anspruch beansprucht.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Erstellen eines Energieabsorbers angegeben, wie in Anspruch 18 beansprucht.
Die vorliegende Erfindung ist ein einfaches, billiges, Energie absorbierendes Abscherstreifenbiegeteil, das dazu gestaltet werden kann, konstante Lasten, zugerichtete Lasten oder einstellbare Lasten bereitzustellen. Der Energieabsorber der vorliegenden Erfindung ist ein einziges Teil, bestehend aus einer Abscherplatte, mehreren mit der Abscherplatte integralen Abscherstreifenlaschen, Führungsrillen in der Abscherplatte, mehreren mit der Abscherplatte integralen Abscherstreifen, einer Einrichtung zum Befestigen der Abscherstreifenlaschen an einem ersten Objekt und Einrichtungen zum Befestigen der Abscherplatte an einem zweiten Objekt.
Die Erfindung kann aus einem einzigen Blech oder einer Platte aus duktilem Material, z.B. Aluminium, Stahl, Polyethylen, Polypropylen oder Kompositmaterialien hergestellt werden. Auf einer Seite der Platte sind mehrere Durchbrüche ausgebildet, um Abscherstreifenlaschen zu bilden, die vorzugsweise, aber nicht notwendigerweise von rechteckiger Gestalt sind. Diese Abscherstreifenlaschen sind um etwa 180° umgebogen, vorzugsweise um den kleinstmöglichen Radius ohne Bruch des Materials herzustellen. Das übrige (ungebogene) Blechmaterial bildet die Abscherplatte.
Wie hier in der Beschreibung und in den Ansprüchen verwendet, meint der Ausdruck Platte jedes Grundmaterial, aus dem die Erfindung gebildet ist. Die Platte könnte flach, sphärisch, zylindrisch oder von jeder Gestalt sein, die mit dem Abscherstreifenvorgang verträglich ist. Vorzugsweise ist die Gestalt der Platte jene Gestalt, die mit den dazu passenden Teilen innerhalb des Systems am besten kompatibel ist.
Ausgehend von beiden Seiten einer jeden Abscherstreifenlasche sind Führungsrillen in die Oberfläche der Abscherplatte eingeschnitten oder in anderer Weise eingeformt, um die Wege zu bestimmen, längs derer die Abscherstreifen sich biegen und einreißen sollen. Diese Rillen verringern die Materialdicke, was die Struktur schwächer als in den übrigen Abschnitten der Abscherplatte macht. Das Material schert somit längs der Rillen in Längsrichtung ab, was zunehmende Laschenlängen bildet, die sich plastisch verformen. Obgleich in dieser Beschreibung und den Ansprüchen Rillen beschrieben sind, versteht sich doch außerdem, dass andere Formen der Strukturschwächung, z.B. Perforationen, ausreichen würden, die Linien zu bestimmen, längs derer sich die Abscherstreifen biegen und reißen.
Die vorliegende Erfindung absorbiert Energie durch Abscherung der Abscherstreifenlaschen von der Abscherplatte längs der Führungsrillen und durch Biegen der Laschen in der Richtung der einwirkenden Kraft. Um diese Wirkung hervorzubringen, müssen zwei entgegengesetzte Kräfte (eine in Reaktion zur anderen) unabhängig auf die Abscherplatte und die Abscherstreifen einwirken. Die Abscherplatte ist somit an einem ersten Objekt (wie beispielsweise einer Sitzwanne) befestigt, während die Abscherstreifen an einem zweiten Objekt (wie beispielsweise einer Aufbaukomponente eines Fahrzeugs) befestigt sind, wobei sie sich zwischen den ersten und zweiten Objekten relativ bewegen würden (im Falle eines Auf pralls). Wenn die Objekte in unterschiedlichen Richtungen ziehen, nimmt die Last am Energieabsorber zu, bis sie eine vorbestimmte Lastgrenze erreicht, woraufhin die Abscherstreifen abzuscheren beginnen und sich von der Abscherplatte weg biegen. Das Abscheren und Biegen der Abscherstreifen führt zu einer kontrollierten Lastaufnahme während der Verstellung, die die zwei Objekte voneinander trennt. Diese Verstellung wird auch als "Hub" bezeichnet. Die Richtung der Relativbewegung der Objekte ist im Allgemeinen parallel zur Abscherplatte, kann jedoch bis um 90° abweichen.
Außer bei Fahrzeugsitzen könnte die vorliegende Erfindung auch in vielen anderen Fällen eingesetzt werden. Beispielsweise in einem Fahrzeugstoßfängersystem könnte die Abscherplatte am Fahrzeugaufbau befestigt sein, während die Abscherstreifenlaschen am Stoßfänger selbst befestigt sind. Bei einer Sitzgurtanwendung könnte die Abscherplatte an der Sitzkonstruktion befestigt sein, während die Abscherstreifenlaschen an einem Sitzgurtbefestiger angebracht sind. Als letztes Beispiel könnte bei einer Kraftfahrzeuglenksäulenanordnung die Abscherplatte am Fahrzeugaufbau befestigt sein, während die Abscherstreifenlaschen an der Lenksäule befestigt sind. Folglich ist die vorliegende Erfindung für jeden Anwendungsfall geeignet, bei dem die Energie, die zwei miteinander verbundene Objekte gegeneinander verstellt, absorbiert und die Last kontrolliert werden muss. Wie oben erwähnt, umfassen weitere Beispiele von Objekten, die durch den Energieabsorber miteinander gekoppelt werden könnten, Flugzeug- und andere Fahrzeugsitzmechanismen, Energie absorbierende Fahrwerke, Kraftfahrzeug- oder Flugzeug-Haltegeschirrverankerungen, Last- oder Schwerlasthaltegurte, Kraftfahrzeugstoßfängerbefestigungen und kollabierbare Lenksäulen.
Es gibt viele andere Anwendungsfälle. Diese umfassen, jedoch nicht einschränkend, Fahrstuhl-Notbremsmechanismen, Stoßdämpfer und Erdbeben-Schutzverankerungen, die Energie aus einer Relativbewegung zwischen Bauwerken, wie Gebäuden oder Brücken, absorbieren. Es gibt viele Anwendungsfälle, in denen Belastungen auf eine vorbestimmte Größe begrenzt werden müssen, wo Energie absorbiert werden muss oder wo eine Relativbewegung zwischen Objekten notwendig ist, ohne dass die konstruktive Verbindung verloren geht. Stoßlastdämpfung könnte innerhalb elektronischer Geräte verwendet werden, um die Lasten zu begrenzen und empfindliche elektronische Antriebe gegen zu große Belastungen zu schützen, wenn diese herabfallen oder durch ein anderes Objekt gestoßen werden.
Die Lastgrenze des Energieabsorbers ist die Summe aus der Kraft, die zum Abscheren der Abscherstreifen erforderlich ist, und der Kraft, die zum Biegen der Abscherstreifen erforderlich ist. Die vorbestimmte Belastung des Energieabsorbers kann durch Wahl von Parametern beeinflusst werden, wie beispielsweise der Materialscherfestigkeit, der Materialzugfestigkeit, der Materialdicke, des Materialmoduls, der Abscherführungsrillenanordnung, der Distanz zwischen Abscherführungsrillen, der Belastungsrichtung und des Biegeradius. Unter Verwendung einer Kombination aus diesen Parametern und der selektiven Änderung der Parameter beim Systemhub, kann die vorliegende Erfindung als ein Energieabsorber mit einem konstanten Last/Verstell-Profil, einem zugeschnittenen Last/Verstell-Profil oder einem einstellbaren Last/Verstell-Profil, je nach Wahl, ausgeführt werden. Es ist auch möglich, ein zugeschnittenes oder ein stellbares Last/Verstell-Profil durch selektiven Einsatz unterschiedlicher Zahlen der mehreren Abscherstreifen zu erstellen.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Energieabsorber konstanter Last unter Verwendung mehrerer im Wesentlichen paralleler Abscherführungsrillen gleichförmiger Tiefe gebildet. Wenn die Kraft parallel zur Oberfläche der Abscherplatte einer gegebenen Dicke angreift, ist die Konstantlastgrenze eine Funktion der Führungsrillentiefe, der Breite der Abscherstreifen (der Abstand zwischen den Führungsrillen) und der strukturellen Eigenschaften des Energieabsorbermaterials.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Energieabsorber mit zugeschnittener Last durch Variation der Materialdicke der Abscherplatte und der Abscherstreifen, der Tiefe der Führungsrillen, der Richtung der einwirkenden Last und/oder der Breite der Abscherstreifen gebildet. Eine Änderung dieser Variablen vergrößert oder verkleinert die Kraft, die zum Abscheren oder Verbiegen der Abscherstreifen erforderlich ist, um das Zurichten des Energieabsorbers für spezielle variierende Lastmuster zu erleichtern.
Das Last/Verstell-Profil des Energieabsorbers ist einstellbar, so dass ein Benutzer aus einer vorbestimmten Serie Lasten auswählen kann. Die mehreren Abscherstreifenlaschen des Energieabsorbers ergeben jeweils eine spezielle Lastgrenze. Durch Befestigen eines oder mehrerer Abscherstreifenlaschen kann der Benutzer die Lastgrenze so einstellen, dass sie für die spezielle Anwendung geeignet ist, für die der Energieabsorber eingesetzt werden soll. Je mehr Abscherstreifenlaschen befestigt sind, umso höher ist die Lastgrenze.
Ein Energieabsorber mit einstellbarer Last könnte auch eine Scheibe mit Skalenteilung oder andere mechanische Vorrichtung verwenden, um eine Schneid- oder Ritzklinge einzustellen, um eine spezielle Führungsrillentiefe zu erzeugen. Die Einstellung der Klinge derart, dass sie einen tieferen Schnitt erzeugt, würde die Lastgrenze des Energieabsorbers absenken.
Dementsprechend ist es ein Ziel der vorliegenden Ziel, einen einfachen, billigen Energieabsorber mit zugerichteter Last (einschließlich konstanter Last) anzugeben, der frei von den Schwierigkeiten und Nachteilen ist, die im Stand der Technik anzutreffen ist.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen einfachen Energieabsorber anzugeben, der nur eine Primärkomponente erfordert.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine hoch effektive Lastbegrenzung durch eine Kombination plastischer Verformung und Abscherwirkung anzugeben.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen Energieabsorber anzugeben, der Energie absorbiert, die in beliebiger Richtung einwirkt, von parallel zur Abscherplatte bis zu senkrecht zur Abscherplatte reichend.
Die vorliegende Erfindung verlangt die Anwesenheit mehrer Abscherstreifenlaschen, wie in 7 der begleitenden Zeichnungen gezeigt. Die 1a bis 6 und 8 bis 10 sind beigefügt, um zahlreiche Merkmale der Erfindung zu zeigen, sie zeigen jedoch nicht Ausführungsformen der Erfindung, weil sie nur eine einzige Abscherstreifenlasche enthalten.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1a ist eine Schemazeichnung einer bodenseitigen Ansicht eines Energie absorbierenden Abscherstreifen-Biegeteils.
1b ist eine Schemazeichnung einer obigen Ansicht des in 1a gezeigten, Energie absorbierenden Abscherstreifen-Biegeteils.
2a ist eine Schemazeichnung einer oberseitigen Ansicht eines Energie absorbierenden Abscherstreifen-Biegeteils, das ein konstantes Last/Verstell-Profil liefert.
2b ist eine Schemazeichnung einer bodenseitigen Ansicht des in 2a gezeigten Energie absorbierenden Abscherstreifen-Biegeteils.
2c ist eine Schemazeichnung des Energie absorbierenden Abscherstreifen-Biegeteils von 2a im Anschluss an die relative Verstellung (oder "Hubausführung") der Objekte, die zu beiden Seiten des Energieabsorbers angebracht sind.
3 ist eine Schemazeichnung eines Energie absorbierenden Abscherstreifen-Biegeteils mit zugerichteter Last mit einer variablen Abscherstreifenbreite.
4 ist eine Schemazeichnung eines Energie absorbierenden Abscherstreifen-Biegeteils mit zugerichteter Last mit Führungsrillen variabler Tiefe.
4a ist eine Schnittansicht des Energie absorbierenden Abscherstreifen-Biegeteils mit zugerichteter Last von 4, geschnitten längs der Linie A-A.
5 ist eine Schemazeichnung eines Energie absorbierenden Abscherstreifen-Biegeteils mit zugerichteter Last mit Führungsrillen variabler Tiefe und variabler Abscherstreifenbreite.
5a ist eine Schnittansicht des Energie absorbierenden Abscherstreifen-Biegeteils mit zugerichteter Last von 5, geschnitten längs der Linie B-B.
6 ist eine Schemazeichnung eines Energie absorbierenden Abscherstreifen-Biegeteils mit zugerichteter Last mit variabler Abscherstreifen- und Abscherplattenmaterialdicke.
7 ist eine Schemazeichnung eines Energie absorbierenden Abscherstreifen-Biegeteils mit einstellbarer Last mit mehreren Abscherstreifen gemäß der vorliegenden Erfindung.
8 ist eine Schemazeichnung eines Energie absorbierenden Abscherstreifen-Biegeteils, das in einer nicht parallelen Richtung belastet ist.
9 ist ein Graph, der den Lastwiderstand als eine Funktion von Hub (Verstellung) und Führungsrillentiefe für einen Muster-Energieabsorber mit zugerichteter Last zeigt.
10 ist ein Graph des Lastwiderstandes als Funktion des Hubes (Verstellung) und der Führungsrillentiefe von Energieabsorbermustern mit vier konstanten Lasten.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die Primärkomponenten der vorliegenden Erfindung sind eine Abscherplatte 1, mehrere Abscherstreifenlaschen 2, Abscherführungsrillen 3, ein Abscherstreifen 4, eine Einrichtung 5 zum Befestigen der Abscherplatte und eine Einrichtung 6 zum Befestigen der Abscherstreifenlasche. Zur Vereinfachung zeigen die 1a bis 6 und 8 eine Abscherplatte 1 mit einer einzigen Abscherstreifenlasche 2.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Komponenten integral aus einem einzigen Materialblech oder -platte gebildet. Die Größe des Plattenmaterials und die Größe der einzelnen Komponenten des Energieabsorbers hängen von der Größe und der Geometrie der Lasten ab, denen die Erfindung widerstehen soll.
Gemäß den 1a und 1b ist eine Lasche an einem Ende der Abscherplatte 1 ausgestanzt, ausgeschnitten oder in anderer Weise ausgebildet. Diese Lasche ist um etwa 180° umgebogen, um eine Abscherstreifenlasche 2 zu bilden. Alternativ könnte die Abscherstreifenlasche 2 gebildet werden, indem zunächst Abscherführungsrillen 3 in der Abscherplatte 1 erzeugt und dann der Streifen zwischen den Abscherführungsrillen 3 um eine kurze Distanz abgeschert und gebogen wird. Unbeschadet des Verfahrens der Ausbildung der Abscherstreifenlasche 2 ist die Abscherstreifenlasche 2 zu Anfang so gebogen, dass sie im Wesentlichen in die Lastrichtung zeigt.
Wenn die Abscherstreifenlasche 2 ausgebildet ist, haben die Abscherplatte 1 und die Abscherstreifenlasche 2 einen gemeinsamen Rand 7. Wie in dieser Beschreibung und den Ansprüchen verwendet, meint der gemeinsame Rand 7 die Linie, längs der, oder den Bereich, in dem die Abscherplatte 1 in die Abscherlasche 2 übergeht.
Zwei oder mehr Abscherführungsrillen 3 sind in eine der oder beide Seiten der Abscherplatte 1 eingeschnitten oder in anderer Weise ausgebildet. Die Abscherführungsrillen 3 bestimmen den Abscherstreifen 4, der die Verlängerung der Abscherstreifenlasche 2 ist. Wie in den 1a und 1b gezeigt, verlaufen die Abscherführungsrillen 3 vorzugsweise im Wesentlichen parallel zueinander, um ein konstantes Last/Verstell-Profil zu erzeugen. In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung variiert jedoch die Distanz zwischen den Abscherführungsrillen 3, d.h. die Rillen laufen zusammen oder auseinander, um einen zugerichteten Lastwiderstand zu erzeugen. Alternativ könnten die Abscherführungsrillen 3 eine andere Form der Strukturschwächung der Abscherplatte 1 sein, z.B. Perforationen oder andere Formen von Materialschwächung.
In einem Energieabsorber sind die Einrichtungen zum Anbringen der Abscherstreifenlasche 6 und die Einrichtungen zum Anbringen der Scherplatte 5 Löcher, in denen Befestigungseinrichtungen angeordnet sind, um die Erfindung an zwei unabhängigen Objekten zu befestigen. 1a zeigt diesen Energieabsorber mit mehreren Löchern, die längs der Längsachse der Abscherplatte 1 ausgebildet sind, und einem einzigen Loch, das in der Abscherstreifenlasche 2 ausgebildet ist. Es können jedoch beliebige Befestigungsmethoden, z.B. Schweißen, Kleben, Gießen oder Heften verwendet werden, um speziellen Anwendungen zu genügen. Weil der Energieabsorber durch Kontrollieren von Lasten wirkt, die die relative Verstellung von zwei Objekten hervorrufen, muss wenigstens eine Befestigungseinrichtung in der Scherplatte 1 und wenigstens eine Befestigungseinrichtung in der Abscherstreifenlasche 2 vorhanden sein.
In der bevorzugten Ausführungsform ist die vorliegende Erfindung aus einem homogenen Material mit duktilen Eigenschaften hergestellt, die ein deutliches Biegen, zunächst in einer Richtung und dann zurück in die entgegengesetzte Richtung ohne Bruch ermöglichen, z.B. ein Metallblech, wie Stahl Aluminium, oder eine Kunststoffplatte, wie aus Polypropylen, Polyethylen oder Nylon. Es können jedoch andere Materialien verwendet werden, um den Anforderungen spezieller Anwendungsformen zu genügen. Beispielsweise sind Kompositmaterialien, die ähnliche Biege- und Abschereigenschaften haben, geeignet. Und als ein zusätzlicher Vorteil können Kompositfasern oder -lagen so orientiert sein, dass sie der Größe und Richtung der Kraft genügen, die zum Abscheren und Biegen des Materials erforderlich ist.
Um ein konstantes Last/Verstell-Profil zu ergeben, muss das verwendete Material gute Eigenschaften haben und muss gleichförmige Struktureigenschaften haben. Für zugerichtete Last/Verstell-Profile muss das Material ebenfalls gleichförmige Struktureigenschaften haben, in welchem Falle andere Variable den Änderungen im Lastwiderstand Rechnung tragen. Alternativ kann Material für zugerichtete Last ungleichförmige Struktureigenschaften längs der Längserstreckung der Abscherplatte haben, um die Änderungen im Lastwiderstand hervorzurufen.
Unter anliegenden Lastbedingungen, z.B. ein während eines Aufpralls an der Erfindung befestigtes Rückhaltegeschirr, arbeitet der Energieabsorber wie folgt. Wenn die Last zuerst anliegt, widersteht die Abscherstreifenlasche 2 zu Anfang jeglichem Abscheren oder Biegen. Sobald die Kraft F der Last (entgegengesetzt zu F/2 und F2), wie in 1b gezeigt, eine vorbestimmte Größe erreicht, beginnt der Abscherstreifen 4 längs der Abscherführungsrillen 3 abzuscheren. Die Abscherstreifenlasche 2 wird dann längs der Längsachse der Abscherplatte 1 in einer Bewegungsrichtung gezogen, die im Allgemeinen parallel zur Abscherplatte 1 ist. Der Vorgang des Abscherens der Abscherplatte 1 und des Abscherstreifens 4 und des Verbiegens des Abscherstreifens 4 erlaubt eine Relativbewegung des einen Objekts gegenüber dem anderen Objekt, so lange die Kraft F eine vorbestimmte Lastgröße überschreitet.
Die vorbestimmte Last, bei der der Abscherstreifen 4 abschert, kann durch Wahl von Parametern und Dimensionen des Abscherstreifens und der Platte beeinflusst werden, einschließlich der, jedoch nicht beschränkt auf die Materialabscherfestigkeit, die Materialzugfestigkeit, das Materialmodul, der Materialdicke, der Abscherführungsrillentiefe, der Abscherführungsrillenanordnung, der Distanz zwischen Abscherführungsrillen und des Trägheitsmoments des sich in Verbiegung befindenden Abschnitts.
Die Tiefe und der Abstand zwischen Abscherführungsrillen 3 beeinflusst die vorbestimmte Last merklich. Die Tiefe der Abscherführungsrillen 3 bestimmt die Dicke der Abscherplatte 1, die die Kraft F abscheren muss. Für ein konstantes Last/-Verstell-Profil ist die Tiefe der Abscherführungsrillen 3 gleichförmig. Um ein variables Last/Verstell-Profil zu erzeugen, kann die Tiefe der Abscherführungsrillen 3 ungleich sein. Der Abstand zwischen Abscherführungsrillen beeinflusst die Kraft, die erforderlich ist, den Abscherstreifen 4 zu verformen, d.h. zu verbiegen. Je größer der Abstand ist, umso größer ist die Kraft, die für eine plastische Verformung erforderlich ist. Der Abstand zwischen Abscherführungsrillen 3 muss so gewählt werden, dass eine Abscherstreifenbreite erzeugt wird, die groß genug ist, der erforderlichen Last zuzüglich eines Sicherheitszuschlags zu widerstehen. Der Abstand zwischen Abscherführungsrillen 3 kann gleichförmig oder variabel sein, um ein konstantes Lastprofil oder ein zugeschnittenes Last/Verstell-Profil zu erzeugen.
Zusätzlich zu der in den 1a und 1b dargestellten Vorrichtung liegt es für den Fachmann auf der Hand, dass zahlreiche Konfigurationen des Energieabsorbers möglich sind, die zur Erzeugung eines konstanten, eines zugeschnittenen, eines variablen oder eines einstellbaren Last/Verstell-Profil zu erzeugen. Die 2 bis 8 zeigen Beispiele von Konfigurationen, die spezielle Last/Verstell-Profile ergeben. Die Beispiele sind nur zur Illustration der vorliegenden Erfindung angegeben und sollen nicht als den Umfang der Erfindung in irgendeiner Weise einschränkend verstanden werden.
Wie in den 2a bis 2c gezeigt, verwendet ein Energieabsorber zur Schaffung eines konstanten Last/Verstell-Profils zwei parallele Führungsrillen gleicher, konstanter Tiefen über die Abscherplatte 1. Zusammen mit den strukturellen Eigenschaften des Energieabsorbermaterials bestimmen die Dicke und die Tiefe der Abscherführungsrillen 3 und der Abstand zwischen den Abscherführungsrillen 3 die Energieabsorptions- oder Grenzlast F (entgegengesetzt durch F/2 und F/2). Die Länge der Abscherführungs rillen 3 bestimmt die maximal mögliche, Energie absorbierende Verstellung zwischen den zwei befestigten Objekten. 2c zeigt die Abscherstreifenlasche 2 in einem etwa zur Hälfte der Länge der vollständigen Energie absorbierenden Verstellung gezogen.
Um einen Energieabsorber mit einem zugeschnittenen Last/Verstell-Profil aufzubauen, variiert der Energieabsorber die Konstruktionselemente, wie beispielsweise die Führungsrillentiefe, die Abscherstreifenbreite und die Materialdicke. Beispielsweise könnte, wie in 3 gezeigt, der Energieabsorber eine konstante Führungsrillentiefe, aber eine variable Abscherstreifenbreite verwenden. Auf diese Weise ergibt der Energieabsorber eine niedriger Lastgrenze für die schmalere Abscherstreifenbreite 30 und eine höhere Lastgrenze für die breite Abscherstreifenbreite 30. Der Energieabsorber kann somit eine Vielzahl zunehmender oder abnehmender Lastmuster erzeugen.
Als ein weiteres Beispiel zugeschnittener Last/Verstell-Profile kann der Energieabsorber so gestaltet werden, dass er eine konstante Abscherstreifenbreite und eine variable Führungsrillentiefe hat, wie in 4 gezeigt. Wenn bei dieser Konfiguration die Tiefe einer Führungsrille zunimmt, dann nimmt die Lastgrenze des Energieabsorbers ab. Zunahmen oder Abnahmen der Lastgrenzen können abgestufte Funktionen sein, die durch eine stufenförmige Änderung in der Führungsrillentiefe hergestellt sind, oder sie können eine allmähliche Laständerung hervorrufen, die durch eine allmähliche, schräg verlaufende Änderung der Führungsrillentiefe hervorgerufen wird. 4 zeigt eine stufenförmige Änderung der Lastgrenze an der Stelle 40, wo die erste Tiefe 41 anders als die zweite Tiefe 42 ist. 4a ist eine vergrößerte Schnittansicht des in 4 gezeigten Energieabsorbers und zeigt die abgestufte Änderung an der Stelle 40, wo die erste Tiefe 41 größer als die zweite Tiefe 42 ist.
Ein weiteres Beispiel zugeschnittener Last/Verstell-Profile ist in 5 gezeigt, wo sowohl eine variable Abscherstreifenbreite als auch eine variable Führungsrillentiefe Änderungen in der Lastgrenze des Energieabsorbers erzeugen. Hier ändern sich an der Stelle 50 sowohl die Tiefe der Abscherführungsrillen 3 als auch die Breite des Abscherstreifens 4. Die Abscherstreifenbreite ändert sich von der schmaleren Abscherstreifenbreite 41 zur breiteren Abscherstreifenbreite 52, während sich die Führungsrillentiefe von einer größeren Tiefe 53 zu einer geringeren Tiefe 54 ändert. 5a zeigt eine vergrößerte Schnittansicht dieser abgestuften Führungsrillentiefenänderung. Für ein spezielles Material und eine spezielle Materialdicke wird die maximale, durch Biegen aufgenommene Last durch Biegen des Abscherstreifens in den minimal möglichen Radius erreicht, dann durch die Geradstrecken ohne Bruch. Wenn die Abscherstreifenbreite zunimmt, dann nimmt auch die maximal mögliche Biegelast zu, wenn der Biegeradius beibehalten wird. Es ist daher eine höhere Abscherlast erforderlich, um die Biegung am Minimalradius zu halten. Eine Verminderung der Tiefe der Führungsrillen vergrößert die Abscherlast. Eine Beeinflussung der Abscherlast durch die Führungsrillentiefe ermöglicht es, den Energieabsorber für maximale Biegung (ohne Bruch zu gestalten), um dadurch die Energieabsorptionslast während des Verstellhubes zu optimieren.
6 zeigt ein weiteres Beispiel eines Energieabsorbers mit zugeschnittener Last/Verstellung, der eine variable Materialdicke längs der Längs des Abscherstreifens 4 verwendet. Wenn bei dieser Ausführungs form die Materialdicke zunimmt, dann nimmt die Kraft, die erforderlich ist, den Abscherstreifen 40 abzuscheren und zu biegen, zu und vergrößert damit die Lastgrenze. In 6 bei der Stelle 60 die Materialdicke von der geringeren Dicke 61 zur größeren Dicke 62 zu, wodurch die Lastgrenzensteigerung erreicht wird.
Zusätzlich zur Gestaltung der vorliegenden Erfindung für konstante und zugeschnittene Last/Verstell-Profile ist die Erfindung derart einstellbar, dass ein Benutzer den Energieabsorber so einstellen kann, dass er eine gewünschte Last aushält. Der Benutzer wählt einen oder mehrere Abscherstreifen aus einer Serie Abscherstreifen aus, die im Energieabsorber ausgebildet sind. Wie 7 zeigt, befestigt der Benutzer eines der zwei Objekte an einen oder beide der zwei verfügbaren Abscherstreifen 70 und 71. Wenn getrennt gezogen, widersteht der Abscherstreifen 70 einer Lastgrenzkraft F₁, während der Abscherstreifen 71 einer Grenzlast der F₂ widersteht, und die sich ergebende Reaktionslast F₁ oder F₂ oder F₁ plus F₂ liegt längs einer Linie, die mit der übereinstimmt, in der die Last oder Lasten angreifen. Wenn an beiden gezogen wird, widerstehen der Abscherstreifen 70 und der Abscherstreifen 71 einer Grenzlast, die gleich der eines einzelnen Streifens einer Breite der Abscherstreifen 70 und 71 ist (F_1P + F_2P, wobei P sich auf das Ziehen mehrer Streifen anstelle einzelner Streifen bezieht, um dadurch eine geringere Last zu erzeugen, als wenn man an einzelnen Streifen getrennt zieht, wegen der verringerten Abscherfläche). Je mehr Streifen der Benutzer wählt und anbringt, umso höher ist somit die Grenzlast. Obgleich 7 die zwei Abscherstreifen mit ungleicher Breite zeigt, könnte der Energieabsorber mehrere Abscherstreifen gleicher oder variierender Breiten haben, um eine größere Anzahl Grenzlasten zu ergeben, aus denen für eine Anpassung ausgewählt werden kann.
Der Energieabsorber könnte auch so gestaltet sein, dass die mehreren Abscherstreifen, die auf beiden Seiten abscheren, selektiv beaufschlagt werden. Eine solche Gestaltung würde einen höheren Prozentsatz der Last am Abschervorgang teilnehmen lassen, als bei dem Konzept, das im vorangehenden Absatz und in 7 beschrieben ist.
Mit konstanten, zugeschnittenen und einstellbaren Last/Verstell-Profilen richtet die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Kraft, die die Objekte trennt, in eine Richtung, die im Wesentlichen parallel zur Abscherplatte ist. Wenn jedoch eine spezielle Anwendung parallel entgegenwirkende Kräfte ausschließt, kann der Energieabsorber auch eine Trennkraft aufnehmen, die unter einem Winkel von bis zu 90° zur Abscherplatte einwirkt. 8 zeigt eine unter einem Winkel von etwa 45° einwirkende Kraft F. In diesem Falle ist die Last, die durch Verbiegen des Abscherstreifens aufgenommen wird, geringer als die Last, die durch eine parallel einwirkende Kraft aufgebracht wird. Zur Kompensation der verminderten Biegelast könnte jedoch die Abscherlast unter Verwendung der oben beschriebenen Techniken gesteigert werden, z.B. durch geringere Führungsrilientiefe, durch mehr eingesetzte Streifen oder durch eine vergrößerte Abscherstreifenbreite.
Der Energieabsorber könnte auch bei einem Objekt oder Objekten eingesetzt werden, die sich über die gleiche Distanz bewegen und dabei unterschiedliche Lasten von jeder Seite des Abscherstreifens auf nehmen müssen. Wenn beispielsweise eine Installation ungleiche Kräfte auf entgegengesetzten Seiten des Abscherstreifens aufnehmen soll, könnte eine Abscherführungsrille tiefer als die andere sein, um diesen ungleichen Lastanforderungen Rechnung zu tragen.
Die folgenden Beispiele sind angegeben, um die Arbeitsweise eines Energieabsorbers mit einem einzigen Abscherstreifen zu demonstrieren.
BEISPIEL 1:
9 ist ein Diagramm, das den Lastwiderstand als eine Funktion des Hubes (Herstellung) und der Führungsrillentiefe für eine zugeschnittene Last zeigt. Der Energieabsorber dieses Beispiels bestand aus 1,27 mm (0,50'') dickem Stahl und hatte einen Abscherstreifen einer konstanten Breite von 1,27 cm (0,5''). Über die ersten 2,54 cm (1'') Hub war die Tiefe der Führungsrille 0,38 mm (0,015''). Dann nahm von etwa 2,54 bis 6,35 cm (1 bis 2,5'') Hub die Führungsrillentiefe allmählich bis auf ein Maximum von 0,71 mm (0,028'') zu. Von etwa 6,35 bis 10,16 cm (2,4 bis 4'') nahm die Führungsrille allmählich auf ihre Anfangstiefe von 0,38 mm (0,015'') ab. Die Kurve zeigt Daten für eine konstante Verstellgeschwindigkeit von 5,08 cm (2'') pro Minute. Der Lastabfall von mehr als 45,36 kg (100 Pfund) spiegelt die Führungsrillentiefenzunahme von 0,38 auf 0,71 cm (von 0,015'' auf 0,028'') wider. Die Führungsrillentiefenänderungen waren in diesem Beispiel Rampenfunktionen und keine Schrittfunktionen, wie sich aus der sanften Laständerung ergibt.
BEISPIEL 2:
10 ist ebenfalls eine Kurvendarstellung eines Lastwiderstandes als Funktion des Hubes (Verstellung) und der Führungsrillentiefe. Sie vergleicht vier Konstantlast-Muster, die zwei unterschiedliche Führungsrillentiefen (0,25 mm oder 0,010'' Differenz) aufweisen. Beide Energieabsorbermuster bestanden aus 1,6 mm (0,063'') dickem Stahl und hatten Abscherstreifen konstanter Breite von 1,27 cm (0,5''). Die zwei Muster hatten jedoch eine Führungsrillen-Abscherdicke von 1,02 mm (0,04''), während die zwei anderen eine Abscherdicke von 0,76 mm (0,03'') hatten. Der Graph zeigt Daten für eine konstante Verstellgeschwindigkeit von 5,08 cm (2'') pro Minute. Wie 11 zeigt, ergab die Abscherdicke von 0,76 mm (0,03'') ein konstantes Last/Verstell-Profil von etwa 340,20 kg (750 Pfund), während die Abscherdicke von 1,02 mm (0,04'') ein konstantes Last/Verstell-Profil von etwa 431 kg (950 Pfund) erzeugte. Weil alle anderen Konstruktionscharakteristika der Muster gleich waren, ist die Differenz von 0,25 mm (0,01'') der Führungsrillentiefe für die Differenz in dem Konstantlast-Widerstand zwischen den Mustern verantwortlich. Diese Daten zeigen auch die Wiederholbarkeit gleicher Gestaltungen.
Die vorangehende Beschreibung von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist für Illustrations- und Erläuterungszwecke gegeben worden. Sie soll nicht erschöpfend sein oder die Erfindung auf die offenbarten präzisen Ausführungsformen beschränken. Viele Variationen und Modifikationen der hier beschriebenen Ausführungsformen liegen für den Fachmann im Lichte der obigen Offenbarung auf der Hand. Der Umfang der Erfindung soll nur durch die beigefügten Ansprüche bestimmt sein.

Claims

Energieabsorber, enthaltend: a) eine Abscherplatte (1); b) eine Einrichtung (6) zum Anbringen der Abscherplatte (1) an einem ersten Gegenstand, dadurch gekennzeichnet, dass sie weiterhin enthält: c) mehrere Abscherstreifenlaschen (2), die durch Umbiegen von Abschnitten der Abscherplatte (1) um einen Winkel von wenigstens 90° gegenüber der Abscherplatte (1) ausgebildet sind, wobei jede Abscherstreifenlasche (2) der mehreren Abscherstreifenlaschen (2) einen gemeinsamen Rand (7) mit der Abscherplatte (1) hat und der gemeinsame Rand (7) zwei Enden hat; d) mehrere Abscherführungsrillen (3), die in einer Seite der Abscherplatte (1) ausgebildet sind und sich von den zwei Enden des gemeinsamen Randes (7) einer jeden Abscherstreifenlasche (2) von jeder Abscherstreifenlasche (2) weg erstreckt; e) eine Einrichtung (6) zum Anbringen der mehreren Abscherstreifenlaschen (2) an einem zweiten Gegenstand; und wobei der Energieabsorber einer Verstellung des ersten Gegenstandes gegenüber dem zweiten Gegenstand einen vorbestimmten Lastwiderstand entgegensetzt.
Energieabsorber nach Anspruch 1, bei dem die mehreren Abscherführungsrillen (3) geradlinig und parallel sind.
Energieabsorber nach Anspruch 1, bei dem die mehreren Abscherführungsrillen (3) zwei nicht parallele Rillen enthalten.
Energieabsorber nach Anspruch 1, bei dem die mehreren Abscherführungsrillen (3) von gleicher und konstanter Länge sind.
Energieabsorber nach Anspruch 1, bei dem die mehreren Abscherführungsrillen (3) ungleiche Tiefen (41, 42) haben.
Energieabsorber nach Anspruch 1, bei dem jede Abscherstreifenlasche (2) der mehreren Abscherstreifenlaschen (2) von im Wesentlichen konstanter Breite ist.
Energieabsorber nach Anspruch 1, bei dem jede Abscherstreifenlasche (2) der mehreren Abscherstreifenlaschen (2) eine andere Breite (30, 31) hat.
Energieabsorber nach Anspruch 1, bei dem die mehreren Abscherstreifenlaschen (2) um einen Winkel von 170° bis 185° umgebogen sind.
Energieabsorber nach Anspruch 1, bei dem die Abscherplatte (1) eine ungleichmäßige Dicke hat.
Energieabsorber nach Anspruch 1, bei dem die mehreren Abscherstreifenlaschen (2) einen gleichmäßigen Widerstand gegen Biegen haben und die Abscherplatte (1) aus einem gleichmäßig dicken, homogenen, ziehfähigen Material mit gleichmäßigen Scher- und plastischen Verformungseigenschaften besteht.
Energieabsorber nach Anspruch 1, bei dem der Energieabsorber einen konstanten Lastwiderstand bietet.
Energieabsorber nach Anspruch 1, bei dem der Energieabsorber einen Lastwiderstand hat, der für einen speziellen Anwendungszweck bemessen ist.
Energieabsorber nach Anspruch 1, bei dem die Abscherplatte (1) eine Dicke hat und aus einem Material besteht, das eine vorbestimmte spezifische Scherfestigkeit, eine Zugfestigkeit und ein Biegemodul hat, und die mehreren Abscherstreifenlaschen (2) ein Trägheitsbiegemoment und einen Biegeradius haben, und wobei der Lastwiderstand durch Wahl der Dicke, der spezifischen Scherfestigkeit, der Zugfestigkeit und des Biegemoduls der Scherplatte (1), der Breite, des Trägheitsbiegemoments und des Biegeradius der mehreren Abscherstreifenlaschen (2) und der Tiefe der mehreren Abscherführungsrillen (3) bestimmt ist.
Energieabsorber nach Anspruch 1, weiterhin enthaltend eine Einrichtung für einen Verwender, den vorbestimmten Lastwiderstand einzustellen, wobei die Dicke, die spezifische Scherfestigkeit und die Zugfestigkeit der Abscherplatte (1), die Breite, das Trägheitsbiegemoment und der Biegeradius der mehreren Abscherstreifenlaschen (2) und die Tiefe der Abscherführungsrillen (3) die Einstellparameter sind und die Einrichtung für einen Verwender, den vorbestimmten Lastwiderstand einzustellen, einen oder mehrere der Einstellparameter einstellt.
Energieabsorber nach Anspruch 1, weiterhin enthaltend eine Einrichtung zum Auswählen einer oder mehrerer Abscherstreifenlaschen (2) aus den mehreren Abscherstreifenlaschen, an der die Einrichtung (6) zum Anbringen der mehreren Abscherstreifenlaschen (2) angebracht ist.
Energieabsorber nach Anspruch 1, bei dem die Abscherplatte (1) aus Stahl, Aluminium, Nylon, Polypropylen oder Polyethylen besteht.
Energieabsorber nach Anspruch 1, bei dem die Abscherplatte (1) aus einem Material besteht, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Kompositmaterialien, Metallen und Kunststoff besteht.
Verfahren zum Herstellen eines Energieabsorbers, gekennzeichnet durch die Schritte: a) Biegen mehrerer Abschnitte einer Abscherplatte (1) aus einem ziehfähigen Material um einen Winkel von mehr als 90° gegenüber der Abscherplatte (1), so dass mehrere Abscherstreifenlaschen (2) so gebildet werden, dass jede Abscherstreifenlasche (2) der mehreren Abscherstreifenlaschen (2) einen gemeinsamen Rand (7) mit der Abscherplatte (1) hat, wo die Abscherplatte (1) in die mehreren Abscherstreifenlaschen (2) übergeht, wobei der gemeinsame Rand (7) zwei Enden hat; b) Ausbilden mehrerer Abscherführungsrillen (3) auf einer Seite der Abscherplatte (1), wobei sich jede Abscherführungsrille (3) von den zwei Enden eines gemeinsamen Randes (7) einer Abscherstreifenlasche (2) erstreckt; c) an den mehreren Abscherstreifenlaschen (2) das Ausbilden einer Einrichtung (6) zum Anbringen einer jeden Abscherstreifenlasche (2) und d) an der Abscherplatte (1) das Ausbilden einer Einrichtung (5) zum Anbringen der Abscherplatte.