DE60300496T2

DE60300496T2 - Energieverzehrendes, rohrförmiges Verbundmaterial

Info

Publication number: DE60300496T2
Application number: DE60300496T
Authority: DE
Inventors: Christopher M. Pleasanton Thayer
Original assignee: Hexcel Corp
Current assignee: Hexcel Corp
Priority date: 2002-05-31
Filing date: 2003-05-20
Publication date: 2006-02-23
Anticipated expiration: 2023-05-21
Also published as: EP1366960B1; DE60300496D1; EP1366960A1; ATE293060T1; US6601886B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Systeme und Verfahren zur Absorption von Energie, die bei einer Kollision erzeugt wird. Genauer gesagt betrifft die vorliegende Erfindung Stoßfängersysteme für Fahrzeuge, wobei die Struktur, die für die Befestigung des Stoßfängers am Fahrzeug verwendet wird, ebenfalls so ausgebildet ist, dass sie bei einem Zusammenstoß Stoßenergie absorbiert.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Stoßfängersysteme werden üblicherweise an verschiedenartigsten Strukturen verwendet, um die Struktur und/oder ihre Insassen bei einer Kollision zu schützen. Stoßfängersysteme waren jahrelang ein integraler und wichtiger Teil der Konstruktion von Automobilen. Infolgedessen wurden viele unterschiedliche Typen von Systemen entwickelt. Ein weit verbreiteter Typ von Stoßfängersystemen enthält einen Stoßfänger oder ein Stoßelement, der beziehungsweise das unter Verwendung eines Typs von Befestigungssystem am Fahrzeug angebracht ist, der dazu geeignet ist, bei einer Kollision einen Teil der Stoßenergie zu absorbieren. Befestigungssysteme, die pneumatische Stoßdämpfer verwenden, sorgen für eine gute Absorption der Stoßenergie und sind dazu geeignet, mehreren kleineren Stößen standzuhalten. Derartige Systeme sind jedoch relativ teuer und erfordern gegebenenfalls regelmäßige Wartung.
Ebenfalls weit verbreitet waren Stoßfängerhalterungen, die Metallrohre verwenden, die bei einem Stoß in Längsrichtung zusammengedrückt werden. Die Metallrohre sorgen für eine starke Verbindung zwischen dem Stoßfänger und dem Fahrzeug. Die spezifische Energieabsorption (kJ/kg) von Metallrohren, wenn sie zusammengedrückt werden, ist jedoch nicht besonders hoch. Ferner ist die Anfangskraft, die benötigt wird, damit ein Metallrohr in Längsrichtung zusammengedrückt wird, möglicherweise für viele Situationen zu groß.
Es ist bekannt, dass Rohre aus Verbundwerkstoffen eine höhere spezifische Energieabsorption aufweisen als ihre Gegenstücke aus Metall. Dieser höhere Grad an Energieabsorption ist teilweise auf die Energie zurückzuführen, die absorbiert wird, wenn das Verbundrohr bei seinem Zusammendrücken in Längsrichtung interlaminar gespalten wird. Das grundlegende Problem bei der Verwendung von Verbundrohren als energieabsorbierendes Element besteht darin, dass das Rohr, wenn es zusammengedrückt wird, kaputt geht und nach einem Zusammenstoß nicht mehr in der Lage ist, den Stoßdämpfer zu halten. Metallrohre hingegen bleiben nach ihrem Zusammendrücken stark genug, um den Stoßfänger nach einem Zusammenstoß hinreichend zu halten.
Aus den vorstehenden Erklärungen ist ersichtlich, dass derzeit der Bedarf besteht, ein einfaches energieabsorbierendes System bereitzustellen, das sowohl die Fähigkeit eines Verbundrohres zur Energieabsorption besitzt als auch die Tragekraft nach einem Zusammenstoß eines Befestigungssystems aus Metall. FR-A-2528928 offenbart ein energieabsorbierendes System, das verwendet wird, um ein erstes Stoßelement an einem zweiten Stoßelement zu befestigen und Stoßenergie zu absorbieren, wenn eines der Stoßelemente zusammengedrückt wird, wobei das energieaufnehmende System Folgendes umfasst:

A) ein eine Längsachse aufweisendes Verbundrohr, umfassend:
a) einen Befestigungsabschnitt mit einem Ende zum Befestigen des ersten Stoßelementes, das in eine Buchse einführbar ist, die sich in dem ersten Stoßelement befindet, wobei der Befestigungsabschnitt einen Außenumfang besitzt;
b) einen rohrförmigen Hauptkörperabschnitt mit einem Ende, das an dem zweiten Stoßelement befestigbar ist, wobei der rohrförmige Hauptkörperabschnitt einen Außenumfang hat, der größer ist als der Außenumfang des Befestigungsabschnitts (16), um dort, wo der Befestigungsabschnitt an den rohrförmigen Hauptkörperabschnitt (26, 72) anstückt, um den Umfang des Befestigungsabschnitts (16) herum einen Absatz (30, 90) zu schaffen; und
B) einen Delaminationskeil (32, 86), der um den Umfang des Befestigungsabschnitts (16), an den Absatz (30, 90) anstoßend, angeordnet ist, wobei der Delaminationskeil (32, 86) so geformt ist, dass er für die Delaminierung des rohrförmigen Hauptkörperabschnitts (26, 72) sorgt, wenn der Delaminationskeil (32, 86) während eines Stoßes, bei dem sich das erste (74) und das zweite (76) Stoßelement entlang der Längsachse des Verbundrohres (10, 70) aufeinander zu bewegen, von dem ersten Stoßelement (74) gegen den Absatz (30, 90) gedrückt wird, wobei die Delamination des rohrförmigen Hauptkörperabschnitts (26, 72) für die Absorption der Stoßenergie sorgt.

ZUSAMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein energieabsorbierendes System gemäß Anspruch 1 bereitgestellt, welches ein Verbundrohr umfasst, das ein wirksamer Stoßenergieabsorber ist und nach einem Stoß eine gute Festigkeit bewahrt, um eine sichere Verbindung zwischen dem Stoßfänger und dem Fahrzeug beizubehalten. Das energieabsorbierende System ist besonders gut geeignet, um Stoßfänger mit Automobilen zu verbinden. Das energieabsorbierende System kann jedoch in jeder Situation verwendet werden, in der zwei oder mehr Stoßelemente miteinander verbunden werden. Typischerweise ist die Erfindung in Fällen nützlich, wo eine Struktur (erstes Stoßelement) durch einen Stoßfänger (zweites Stoßelement) geschützt wird, der mittels eines energieabsorbierenden Befestigungssystems mit der Struktur verbunden ist.
Energieabsorbierende Verbundrohre gemäß der vorliegenden Erfindung sind so ausgelegt, dass sie zwischen einem ersten Stoßelement und einem zweiten Stoßelement eine energieabsorbierende Halterung bilden. Die energieabsorbierenden Verbundrohre enthalten einen Befestigungsabschnitt, der einstückig mit einem rohrförmigen Hauptkörperabschnitt ausgebildet ist. Der Befestigungsabschnitt hat ein Ende zum Befestigen eines ersten Stoßelementes, das in eine Hülse oder in eine Buchse eingesetzt werden kann, die sich in dem ersten Stoßelement befindet. Der Befestigungsabschnitt ist aus Fasern hergestellt, die in eine Kunstharzmatrix eingebettet sind, und hat einen Außenumfang, der so dimensioniert und geformt ist, dass er das passende Gegenstück zur Buchse bildet. Ferner enthält das energieabsorbierende Verbundrohr einen rohrförmigen Hauptkörperabschnitt, der einstückig mit dem Befestigungsabschnitt ausgebildet ist. Der rohrförmige Hauptkörperabschnitt ist ebenfalls aus einer oder mehreren Schichten aus Fasern hergestellt, die in eine Kunstharzmatrix eingebettet sind. Die Faserschichten und die Kunstharzmatrix können genauso sein wie beim Befestigungsabschnitt oder anders. Der rohrförmige Hauptkörperabschnitt hat einen Umfang, der größer ist als der Befestigungsabschnitt, um einen Absatz zu bilden, der dort, wo der Befestigungsabschnitt auf den rohrförmigen Hauptkörper trifft, um den Umfang des Befestigungsendes herumläuft.
Ein Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass ein Delaminationskeil vorgesehen ist, der sich, an den Absatz anstoßend, auf dem energieabsorbierenden Verbundrohr befindet. Während eines Stoßes wird der Delaminationskeil gegen den Absatz gedrückt. Die daraus resultierende Delamination des rohrförmigen Hauptkörpers absorbiert Energie von dem Stoß. Die Verwendung eines Delaminationskeils verringert oder unterbindet die anfängliche Spitzenbelastung, die normalerweise benötigt wird, um den Delaminationsprozess auszulösen. Außerdem unterbindet der Delaminationskeil die Bildung eines Trümmerkeils, die möglicherweise mit dem Zusammendrücken in Längsrichtung eines Rohres aus Verbundwerkstoffen einhergeht.
Ein weiteres Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass der Befestigungsabschnitt des Verbundrohres nicht zusammengedrückt wird und während des Delaminationsprozesses intakt bleibt. Die Hülse oder Buchse im Stoßelement gleitet lediglich über den Befestigungsabschnitt, wenn der Delaminationskeil in den Absatz hineingedrückt wird. Der Befestigungsabschnitt und der rohrförmige Hauptkörper behalten eine ausreichende strukturelle Integrität und Festigkeit, um nach einem Zusammenstoß eine ausreichende Stütze zwischen dem ersten und dem zweiten Stoßelement zu bilden.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich nicht nur auf das energieabsorbierende Verbundrohr, sondern auch auf Stoßfängersysteme und Fahrzeuge, an denen energieabsorbierende Verbundrohre befestigt sind. Außerdem behandelt die Erfindung Verfahren zur Herstellung von Energieabsorbern und zur Absorption von Energie während eines Stoßes, wobei das energieabsorbierende Verbundrohr verwendet wird.
Die vorliegende Erfindung sieht ein besonders nützliches energieabsorbierendes Befestigungssystem vor, das feinabgestimmt werden kann, um eine große Vielzahl von Energieabsorptionsprofilen zu bilden. Die Anzahl und/oder die Typen von Laminaten im Befestigungsende und im rohrförmigen Hauptkörper können variiert werden, um eine große Vielzahl von Absatzgrößen und -formen bereitzustellen, die in direktem Zusammenhang mit der Energiemenge stehen, die während der Delamination absorbiert wird. Außerdem können die Laminatschichten im rohrförmigen Hauptkörper versetzt angeordnet werden, um einen stufigen Absatz zu bilden, wobei der Delaminationskeil bei einem Zusammenstoß der Reihe nach jede Schicht kontaktiert. Derartige Anordnungen mit stufigen Absätzen erlauben eine Feinabstimmung des Energieabsorptionsprofils. Außerdem kann an dem Ende des rohrförmigen Hauptkörpers, das am zweiten Stoßelement befestigt ist, ein zweiter Befestigungsabschnitt eingefügt werden. Dadurch entsteht ein zweiter Absatz, der an das zweite Stoßelement angrenzt und in Kombination mit einem zweiten Delaminationskeil verwendet werden kann, um Fähigkeiten für eine noch höhere Energieabsorption zu schaffen.
Das energieabsorbierende Verbundrohr der vorliegenden Erfindung ist ein geeigneter Ersatz für rohrartige Stoßdämpferbefestigungssysteme aus Metall, da es nach einem Zusammenstoß eine Haltekraft bietet, die der von Metallrohren entspricht, während es gleichzeitig eine besonders effektive Energieabsorption gewährleistet, wenn der Stoßdämpfer zusammengedrückt wird.
Die vorstehend beschriebenen und viele weitere Merkmale und begleitende Vorteile der vorliegenden Erfindung werden besser verständlich durch Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung in Verbindung mit den beifolgenden Zeichnungen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Perspektivansicht eines exemplarischen energieabsorbierenden Verbundrohres gemäß der vorliegenden Erfindung, das in eine Hülse in einem ersten Stoßelement eingeführt wird. Das erste Stoßelement, beispielsweise eine Montageplatte, die an einem Fahrzeug befestigt wird, ist allgemein als ein viereckiger Block dargestellt.
2 stellt das exemplarische energieabsorbierende Rohr dar, das an einem zweiten Stoßelement befestigt ist. Das zweite Stoßelement, beispielsweise ein Fahrzeugstoßfänger, ist allgemein als ein viereckiger Block dargestellt.
3 ist eine Teilansicht in Schnittdarstellung von 1 in der Ebene 3-3 vor einem Stoß.
4 ist die gleiche Schnittdarstellung von 1 wie sie in 3 zu sehen ist, außer dass das Rohr infolge eines Stoßes eine Delamination erfahren hat.
5 ist eine Schnittdarstellung eines energieabsorbierenden Verbundrohres gemäß der vorliegenden Erfindung, die eine alternative exemplarische Art von Absatz zeigt.
6 ist eine Schnittdarstellung eines energieabsorbierenden Verbundrohres gemäß der vorliegenden Erfindung, die ein alternatives exemplarisches Ausführungsbeispiel zeigt, das an beiden Enden des Verbundrohres Absätze und Delaminationskeile enthält.
7 zeigt drei exemplarische Delaminationskeile gemäß der vorliegenden Erfindung. 7A zeigt den Querschnitt eines Delaminationskeiles mit einem gleich bleibenden 45°-Winkel. 7B zeigt den Querschnitt eines Delaminationskeiles mit einem 45°-Winkel, der nach 0,043 inch (1,092 mm) in einen 90°-Winkel übergeht. 7C zeigt den Querschnitt eines Delaminationskeiles, der nach 0,030 inch (0,762 mm) von einem 45°-Winkel in einen 90°-Winkel übergeht.
8 zeigt drei exemplarische Graphen Belastung versus Verschiebung für energieabsorbierende Verbundrohre, welche die in 7 gezeigten Delaminationskeile verwenden. 8A ist die Kurve Belastung versus Verschiebung für ein energieabsorbierendes Verbundrohr, das den in 7A gezeigten Delaminationskeil verwendet. 8B ist die Kurve Belastung versus Verschiebung für ein energieabsorbierendes Verbundrohr, das den in 7B gezeigten Delaminationskeil verwendet. 8C ist die Kurve Belastung versus Verschiebung für ein energieabsorbierendes Verbundrohr, das den in 7C gezeigten Delaminationskeil verwendet.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
In den 1–3 wird unter dem Bezugszeichen 10 ein energieabsorbierendes Verbundrohr gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt. Das Rohr 10 wird in einem Zustand gezeigt, in dem es in eine Buchse oder in eine Hülse eingeführt ist, die sich in einem ersten Stoßelement befindet, beispielsweise im Rahmen oder in einer anderen Befestigungsstruktur an einem Automobil 12. Wie in 3 am besten zu sehen ist, ist die Buchse, in die das Rohr eingeführt ist, eine kreisförmige Hülse 14. Das Rohr 10 wird bevorzugt dafür verwendet, zweite Stoßelemente, beispielsweise Stoßfänger, an Fahrzeugen zu befestigen. Das Rohr 10 kann jedoch verwendet werden, um jegliche Art von Stoßfänger mit einer Basisstruktur zu verbinden. Unter Stoßelementen wie sie hier verwendet werden versteht man jegliche Art von Stoßfängern oder anderen Strukturen, die an einem der Enden des Verbundrohres 10 befestigt werden. Bevorzugterweise ist das erste Stoßelement eine Struktur an einem Fahrzeug, an dem das Verbundrohr befestigt ist. Das zweite Stoßelement ist der Stoßfänger, der an dem anderen Ende des Verbundrohres befestigt ist. Das energieabsorbierende Verbundrohr kann in jeder Situation verwendet werden, in der ein oder beide Stoßelemente Kollisionen mit Fremdobjekten unterworfen sind. Die bevorzugte Verwendung des energieabsorbierenden Verbundrohres ist jedoch die Befestigung eines zweiten Stoßelementes (z. B. eines Stoßfängers) an einem ersten Stoßelement (z. B. an einem Fahrzeug), um das Fahrzeug und/oder seine Insassen vor Kollisionen mit Fremdobjekten zu schützen.
Das Rohr 10 enthält einen rohrförmigen Hauptkörperabschnitt 26, der ein Ende 18 zum Befestigen eines zweiten Stoßelementes hat, welches mit einem zweiten Stoßelement, beispielsweise mit einem Stoßfänger, verbunden ist, das als Block 20 dargestellt ist. Der Stoßfänger 20 ist vorzugsweise ein Stoßfänger für Automobile. Der rohrförmige Hauptkörper 26 kann jedoch mit jeglicher Art von Stoßfängern oder anderen Strukturen verbunden werden, wo Schutz vor Stößen gewünscht wird. Der rohrförmige Hauptkörper 26 kann mit einer großen Vielzahl von Verbindungskonfigurationen mit dem Stoßfänger 20 verbunden werden. Vorzugsweise wird das Rohr in eine passende Hülse im Stoßfänger 20 eingeführt und dort mit einem geeigneten Klebstoff festgeklebt.
Ferner enthält das Verbundrohr 10 einen Befestigungsabschnitt 16, der einstückig mit dem rohrförmigen Hauptkörperabschnitt 26 ausgebildet ist. Der Befestigungsabschnitt 16 hat ein Ende 22 zum Befestigen des ersten Stoßelementes, das in die Hülse 14 eingeführt wird, die sich in einer Befestigungsstruktur 12 am Fahrzeug befindet. Das Befestigungsende 22 wird vorzugsweise mit einem unter dem Bezugszeichen 24 gezeigten Klebstoff an die Befestigungsstruktur 12 geklebt. Der Klebstoff 24 sollte eine Klebverbindung herstellen, die stark genug ist, um zu verhindern, dass das Rohrende 22 unter normalen Umständen aus der Fahrzeughülse 14 hervorkommt. Allerdings muss der Klebstoff eine Schubfestigkeit aufweisen, die niedrig genug ist, um zu erlauben, dass die Hülse 14 über den Befestigungsabschnitt 16 gleitet, wenn der Stoßfänger 12 bei einer Kollision zusammengedrückt wird. Zu den exemplarischen Klebstoffen, die verwendet werden können, zählen Epoxydharz, Urethan und Polyester. Es können auch andere Klebstoffe verwendet werden, sofern sie eine Klebverbindung schaffen, die stark genug ist, um den Befestigungsabschnitt 16 unter normalem Betrieb des Fahrzeugs fest in der Hülse 14 halten, und gleichzeitig eine Schubfestigkeit aufweisen, die niedrig genug ist, um zu erlauben, dass der Befestigungsabschnitt 16 bei einer Kollision in der Befestigungshülse 14 des Fahrzeugs gleitet.
Der Befestigungsabschnitt 16 hat einen Außenumfang, der vorzugsweise kreisförmig ist. Es sind auch andere Formen möglich, einschließlich ovale Rohre und polygonförmige Rohre, beispielsweise viereckige Rohre oder achteckige Rohre. Die Länge und der Durchmesser des Befestigungsabschnitts 16 können in Abhängigkeit von der jeweiligen Anwendung variiert werden. Der Befestigungsabschnitt 16 ist vorzugsweise aus einem mindestens einschichtigen Laminat hergestellt. Typischerweise enthält der Befestigungsabschnitt die Anzahl von Laminaten, die nötig sind, um für eine geeignete Befestigung des Stoßfängers und des rohrförmigen Hauptkörpers am Fahrzeug zu sorgen. Dies hängt von der Größe des Stoßfängers/Fahrzeugs und vom Fahrzeugtyp ab. Wie in 3 gezeigt ist der Befestigungsabschnitt 16 ein dreischichtiges kreisförmiges Laminat. Der Befestigungsabschnitt 16 enthält drei Schichten eines Webstoffes, die in eine Kunstharzmatrix eingebettet sind. Das dreischichtige Laminat dient lediglich als Beispiel. Der Webstoff kann aus jeglicher Art von Fasern bestehen, die zur Herstellung von Verbundwerkstoffen verwendet werden, einschließlich Glas, Kohlenstoff, Keramik, Aramid und Thermoplast. Webstoffe werden bevorzugt. Es kann jedoch sowohl eine Fasermatte verwendet werden, in der die Fasern in eine Richtung verlaufen, als auch eine Fasermatte mit willkürlich ausgerichteten Fasern. Willkürlich ausgerichtete Schnittfasern, die in eine Kunstharzmatrix eingebettet sind, sind ebenfalls akzeptabel.
Das Kunstharz, in das die Faserschichten eingebettet sind, kann auch ein beliebiges der bekannten Materialien sein, die als Matrix in Verbundwerkstoffen verwendet werden. Zu den exemplarischen Kunstharzen gehören Epoxydharz, Nylon, Polyester, Vinylester, Polypropylen und Acryl.
Das energieabsorbierende Verbundrohr 10 enthält einen rohrförmigen Hauptkörperabschnitt 26, der einstückig mit dem Befestigungsabschnitt 16 ausgebildet ist. Der rohrförmige Hauptkörperabschnitt 26 enthält vorzugsweise mindestens eine Laminatschicht mehr als das Befestigungsende 16. Wie in 3 gezeigt, hat der rohrförmige Hauptkörperabschnitt 26 zwei Laminatschichten mehr als der Befestigungsabschnitt 16. Die zwei zusätzlichen Laminatschichten dienen lediglich als Beispiel, und es sind selbstverständlich viele weitere Laminate möglich, falls dies gewünscht wird. Der rohrförmige Hauptkörperabschnitt 26 und der Befestigungsabschnitt 16 werden vorzugsweise unter Verwendung der gleichen Fasern und Kunstharze hergestellt. Der Befestigungsabschnitt 16 und der Absatz 30 werden vorzugsweise gebildet, indem man die gewünschte Anzahl von Laminaten maschinell bearbeitet oder auf andere Weise vom rohrförmigen Hauptkörperabschnitt 26 entfernt. Alternativ kann das Verbundrohr in einem einzigen Formschritt hergestellt werden, bei dem die Form so ausgestaltet ist, dass ein rohrförmiger Hauptkörperabschnitt geschaffen wird, der über einen Absatz in den Befestigungsabschnitt übergeht. Ferner kann der rohrförmige Hauptkörperabschnitt gebildet werden, indem man zusätzliche Faserschichten auf ein zuvor geformtes Innenrohr aufbringt. Die zusätzlichen Schichten werden so positioniert, dass auf dem Innenrohr ein Absatz ausgebildet wird, um den gewünschten Absatz für die Delamination zu schaffen. Falls gewünscht, können die zusätzlichen Laminate auf ein nicht ausgehärtetes Innenrohr aufgebracht werden und zusammen mit der Kunstharzmatrix des Innenrohrs ausgehärtet werden.
Der rohrförmige Hauptkörperabschnitt 26 hat dort, wo er in den Befestigungsabschnitt 16 übergeht, ein Ende 28, um den zuvor genannten Absatz 30 zu schaffen. Der Absatz 30 erstreckt sich um den Umfang des Befestigungsabschnitt 16 herum. Die Größe oder Tiefe des Absatzes 30 hängt von der Anzahl und der Größe der zusätzlichen Laminate oder Fasern ab, die verwendet werden, um den rohrförmigen Hauptkörper zu bilden. Diese wiederum hängen von der Energiemenge ab, die absorbiert werden muss, und von der anfänglichen Spitzenbelastung, die gewünscht wird, um die Delamination des rohrförmigen Hauptkörperabschnitts 26 auszulösen. Die Größe und die Form des Absatzes 30 kann auch durch die Ausgestaltung der Form gesteuert werden, sofern eine Form verwendet wird, um das Verbundrohr zu formen. Die Größe und die Form des Absatzes 30 hängt von der jeweiligen Anwendung ab und wird durch routinemäßiges Experimentieren bestimmt. Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die Eigenschaften des Verbundrohres zur Energieabsorbtion vielfach variiert und genau gesteuert werden können, indem man bestimmte Kombinationen von Fasergröße, Fasertyp, Faserausrichtung, Absatzgröße, Absatzform und Typ der Kunstharzmatrix wählt.
Am Befestigungsabschnitt 16, an den Absatz 30 anstoßend, befindet sich umfangsseitig ein Delaminationskeil 32. Der Delaminationskeil 32 kann an der Befestigungsstruktur 12 des Fahrzeugs oder auf dem Befestigungsabschnitt 16 befestigt werden. Falls gewünscht, kann der Keil einstückig mit der Befestigungsstruktur 12 ausgebildet sein. Der Keil 32 ist aus einem harten Material hergestellt, beispielsweise aus einem Metall, das in der Lage ist, den Verbundwerkstoff des rohrförmigen Hauptkörperabschnitts 26 zu delaminieren. Das Material, das für die Herstellung des Keils verwendet wird, sollte härter sein als das Verbundrohr 10 und sollte mindestens hart genug sein, um die Delamination des Rohres auszulösen, wie dies in 4 gezeigt wird.
In 4 wird unter dem Bezugszeichen 34 das Verbundrohr nach einem Stoß gezeigt, bei dem der rohrförmige Hauptkörperabschnitt 36 durch Pressen des Keils 32 gegen den Absatz 30 delaminiert wurde. Man hat festgestellt, dass der Delaminationsprozess ein wirksamer Stoßenergieabsorber ist. Die Richtung des Stoßes wird durch den Pfeil 40 dargestellt. Das Ausmaß der Delamination steht in Zusammenhang mit der Energiemenge, die absorbiert wird. Wenn die Belastung durch die Stoßenergie zunimmt, reduziert sich auch das Ausmaß der Delamination und Verformung des rohrförmigen Hauptkörpers.
Der Delaminationskeil ist so ausgelegt, dass er die Delamination des rohrförmigen Hauptkörpers 26 herbeiführt, wenn der Keil 32 in den Absatz 40 hineingedrückt wird. Die Verwendung eines Delaminationskeils verringert oder unterbindet die anfängliche Spitzenbelastung, die andernfalls nötig wäre, um die Delamination zu starten. Die Form des Delaminationskeils kann auch variiert werden. Der unter dem Bezugszeichen 32 gezeigte Keil hat einen Oberflächenwinkel in Bezug zum Absatz, der so ausgelegt ist, dass der Verbundwerkstoff gespalten wird, wenn der Absatz gegen den Keil gedrückt wird. Die Geometrie des Keils sollte so ausgelegt sein, dass die Delamination oder Abtrennung des Verbundwerkstoffes dann stattfindet, wenn der Keil gegen den Absatz gedrückt wird. Die Form des Keils kann je nach Typ und Ausrichtung der Fasern/des Kunstharzes variiert werden. Der Keil für die Delamination von Schichten aus Webstoff kann beispielsweise eine andere Form haben als Keile, die verwendet werden, um willkürlich ausgerichtete Schnittfasern zu delaminieren.
Die Verwendung eines Delaminationskeils bringt den Vorteil, dass die Eigenschaften des Verbundrohres zur Energieabsorption noch feiner eingestellt werden können. Der Keil kann beispielsweise so geformt sein, dass er eine leicht abgestumpfte Kante hat, die so ausgebildet ist, dass sich die anfängliche Spitzenbelastung erhöht, die nötig ist, um die Delamination herbeizuführen. Diese Konfiguration ist dann wünschenswert, wenn die Befürchtung besteht, dass bei kleineren Kollisionen möglicherweise eine vorzeitige Delamination des Verbundrohres stattfindet. Alternativ kann der Keil eine relativ scharte Kante haben, welche die anfängliche Spitzenbelastung, die nötig ist, um die Delamination herbeizuführen, reduziert. Die Reduzierung der anfänglichen Spitzenbelastung, die nötig ist, um die Delamination zu starten, ist in Situationen wichtig, in denen es wünschenswert ist, den anfänglichen Stoß auf Fahrzeuginsassen oder zerbrechliche Fracht bei einer Kollision zu begrenzen.
In 7 werden drei exemplarische Delaminationskeile gezeigt. In 7A ist unter dem Bezugszeichen 100 ein exemplarischer Delaminationskeil zu sehen, wobei sich die Vorderkante des Keils 102 in einem 45°-Winkel in Bezug zum rohrförmigen Hauptkörperabschnitt befindet. Der Delaminationskeil 100 beinhaltet einen Befestigungsabschnitt 104, der so ausgelegt ist, dass der Keil in der Buchse im ersten Stoßelement befestigt wird. In 7B wird unter dem Bezugszeichen 200 ein zweiter exemplarischer Delaminationskeil gezeigt. Der Delaminationskeil 200 hat eine Vorderkante 202, die als 45°-Winkel 204 beginnt und nach 0,043 inch (1,092 mm), wie unter dem Bezugszeichen 206 gezeigt, in einen 90°-Winkel übergeht. Ferner beinhaltet der Delaminationskeil 200 einen Hauptkörperabschnitt 208, der in die Buchse im ersten Stoßelement einführbar ist. In 7C wird unter dem Bezugszeichen 300 ein dritter exemplarischer Delaminationskeil gezeigt. Der Delaminationskeil 300 ist der gleiche wie der Delaminationskeil 200, außer dass sich die anfängliche Vorderkante 304 des Keil 302 über eine Länge von 0,030 inch (0,762 mm) anstatt 0,043 inch (1,092 mm) erstreckt. Die Kante 304 geht dann in der gleichen Weise wie der Delaminationskeil 200 in eine 90°-Fläche 306 über.
Die drei in 7 gezeigten exemplarischen Delaminationskeile wurden verwendet, um energieabsorbierende Verbundrohre gemäß der vorliegenden Erfindung herzustellen, die Quetschtesten unterzogen wurden. Der rohrförmige Hauptkörper und die Befestigungsabschnitte waren bei jedem Test die gleichen; lediglich der Delaminationskeil wurde ausgetauscht. In 8 sind die Ergebnisse der Quetschtests unter Verwendung der Hülse 100 als Graph A dargestellt. Die absorbierte Energie belief sich auf insgesamt 1420,81 (lb-in).
Die maximale Belastung betrug 1.671 lb (757,95 kg) bei einer Verschiebung des Delaminationskeils von 1,00 ich (2,54 cm). Die Energieabsorptionseffizienz betrug 85 Prozent. Die Ergebnisse der Quetschtests für die Hülse 200 sind in Graph B dargestellt, wobei sich die absorbierte Energie auf insgesamt 1.978 (lb-in) bei einer maximalen Belastung von 1.946 lb (882,69 kg) belief. Der Delaminationskeil 200 wurde um 1,13 inch (2,87 cm) verschoben, und die Energieabsorptionseffizienz betrug 90 Prozent. In 8C ist der Graph Belastung versus Verschiebung für den Delaminationskeil 300 dargestellt. Die absorbierte Energie belief sich auf insgesamt 2.285 (lb-in) bei einer maximalen Belastung von 2.291 lb (1.039,18 kg). Der Delaminationskeil 300 wurde um 1,13 inch (2,87 cm) verschoben, wobei die Energieabsorptionseffizienz 88 Prozent betrug. Wie aus den Kurven Belastung versus Verschiebung in den 8A–C ersichtlich ist, führten geringfügige Änderungen der Geometrie des Delaminationskeils zu messbaren Änderungen in den Energieabsorptionsprofilen. Der Übergang von einem 45°-winkligen Keil zu einem 90°-winkligen Keil ergab beispielsweise einen Anstieg der maximalen Belastung von ungefähr 1.670 lb (757,5 kg) auf mehr als 2.000 lb (907,18 kg). Ersichtlicherweise sind viele weitere Keilkonfigurationen möglich, die verwendet werden können, um die gewünschte anfängliche Belastung und die späteren Energieabsorptionsprofile zu erzielen.
Wie aus 4 ersichtlich ist, bleibt selbst nach einem Stoß, bei dem der rohrförmige Hauptkörper delaminiert wurde, der Teil des rohrförmigen Hauptkörperabschnitts, der in die Befestigungshülse geschoben wurde, intakt und strukturell mit dem Fahrzeug 12 verbunden, um den Stoßfänger 20 weiterhin zu halten. Infolgedessen ist das Verbundrohr in der Lage, die Eigenschaften zur effizienten Absorption von Stoßenergie einer Delamination von Verbundwerkstoffen zu bieten, ohne die Grundfunktion des Verbundrohres zu beinträchtigen, die darin besteht, den Stoßfänger am Fahrzeug zu befestigen.
Die Form des Absatzes zwischen dem rohrförmigen Hauptkörperabschnitt und dem Befestigungsabschnitt kann variiert werden, um unterschiedliche Energieabsorptionseigenschaften und -profile zu schaffen. In 5 ist beispielsweise unter dem Bezugszeichen 50 eine alternative Absatzkonfiguration dargestellt. Der Befestigungsabschnitt 52 beinhaltet ein zweischichtiges rohrförmiges Laminat aus gewobenen Fasern, das mit einem Klebstoff in die kreisförmige Hülse 54 in der Montageplatte 56 des Fahrzeugs geklebt ist. Der rohrförmige Hauptkörperabschnitt 58 beinhaltet ein Laminat mit drei zusätzlichen Schichten aus gewobenen Fasern. Der rohrförmige Hauptkörper 58 wurde maschinell bearbeitet, um einen Teil der drei zusätzlichen Schichten zu entfernen und so den Befestigungsabschnitt 52 und den versetzt angeordneten Absatz zu schaffen, wie unter dem Bezugszeichen 50 gezeigt. Während eines Stoßes kontaktiert der Delaminationskeil 60 bei seinem Eindringen in den Absatz die Laminate der Reihe nach. Dieser sequenzielle Kontakt der Absatzlaminate mit dem Keil erlaubt es, das anfängliche Energieabsorptionsprofil während der Delamination zu steuern. Ersichtlicherweise ist eine große Vielfalt an weiteren Absatzkonfigurationen möglich. Der in 5 gezeigte stufige Absatz könnte beispielsweise umgedreht werden, so dass das äußere Laminat das erste ist, das vom Delaminationskeil 60 kontaktiert wird. Ferner könnte die Anzahl der Schichten, die in den jeweiligen Stufen des Absatzes verwendet werden, variiert werden, um beim Eindringen des Delaminationskeils in den Absatz weitere Verbesserungen des Energieabsorptionsprofils zu erreichen.
Die Eigenschaften des Verbundrohres zur Energieabsorption können noch weiter variiert und gesteuert werden, indem man an beiden Enden des Verbundrohres Befestigungsabschnitte und Delaminationskeile vorsieht. Eine derartige Anordnung ist unter dem Bezugszeichen 70 in 6 dargestellt. Das Verbundrohr 70 beinhaltet einen rohrförmigen Hauptkörperabschnitt 72, der zwischen einem unter dem Bezugszeichen 74 dargestellten ersten Stoßelement und einem unter dem Bezugszeichen 76 dargestellten zweiten Stoßelement befestigt ist. Ein erstes Befestigungsende 78 wird in einer Hülse 80 im ersten Stoßelement 74 befestigt. Ein zweites Befestigungsende 82 wird in einer Hülse 84 im zweiten Stoßelement 76 befestigt. Um die Delamination des rohrförmigen Hauptkörpers an den Absatzstellen 90 beziehungsweise 92 auszulösen, sind Delaminationskeile 86 und 88 vorgesehen. Der Delaminationskeil 86 hat eine steilere Neigung (d. h. er verläuft spitzer) als der Delaminationskeil 88. Dementsprechend beginnt die Delamination des Absatzes 90 bei niedrigeren Spitzenbelastungen als der Absatz 92, wenn alle anderen Parameter gleich sind. Ferner kann die Ausrichtung und der Typ der Fasern und Kunstharze variiert werden, um eine weitere Steuerung der Energieabsorption zu erzielen. Wie in 6 gezeigt, kann beispielsweise ein Teil des rohrförmigen Hauptkörperabschnitts 72 willkürlich ausgerichtete Fasern 94 enthalten, während ein anderer Teil Schichten mit gewobenen Fasern 96 enthalten kann.
Nach der Beschreibung exemplarischer Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung seien die Fachmänner darauf hingewiesen, dass die hierin enthaltenen Offenbarungen lediglich exemplarisch sind, und dass im Rahmen der vorliegenden Erfindung mannigfaltige weitere Alternativen, Bearbeitungen und Änderungen gemacht werden können. Demgemäß ist die vorliegende Erfindung nicht auf die vorstehend genannten bevorzugten Ausführungsformen und Beispiele beschränkt, sondern sie ist lediglich durch die folgenden Ansprüche beschränkt.

Claims

Energieabsorbierendes System, das verwendet wird, um ein erstes Stoßelement (74) an einem zweiten Stoßelement (76) zu befestigen und Stoßenergie zu absorbieren, wenn eines der Stoßelemente zusammengedrückt wird, wobei das energieabsorbierende System Folgendes umfasst: A) ein eine Längsachse aufweisendes Verbundrohr (10, 70), umfassend: a) einen Befestigungsabschnitt (16), umfassend ein Ende (22, 78) zum Befestigen eines ersten Stoßelementes, das in eine Buchse (14) einführbar ist, die sich in dem ersten Stoßelement (74) befindet, wobei der Befestigungsabschnitt (16) Fasern aufweist, die in eine Kunstharzmatrix eingebettet sind, um den Befestigungsabschnitt (18) mit einem Außenumfang zu bilden; b) einen rohrförmigen Hauptkörperabschnitt (26, 72), der einstückig mit dem Befestigungsabschnitt (16) ausgebildet ist, wobei der rohrförmige Hauptkörperabschnitt (26, 72) ein Ende (18) aufweist, das an dem zweiten Stoßelement (76) befestigbar ist, und wobei der rohrförmige Hauptkörperabschnitt (26, 72) Fasern aufweist, die in eine Kunstharzmatrix eingebettet sind, um einen rohrförmigen Hauptkörperabschnitt (26, 72) mit einem Außenumfang zu bilden, der größer ist als der Außenumfang des Befestigungsabschnitts (16), um dort, wo der Befestigungsabschnitt (16) an den rohrförmigen Hauptkörperabschnitt (26, 72) anstückt, um den Umfang des Befestigungsabschnitts (16) herum einen Absatz (30, 90) zu bilden; und B) einen Delaminationskeil (32, 86), der um den Umfang des Befestigungsabschnitts (16) herum, an den Absatz (30, 90) anstoßend, angeordnet ist, wobei der Delaminationskeil (32, 86) so geformt ist, dass er für die Delamination des rohrförmigen Hauptkörperabschnitts (26, 72) sorgt, wenn der Delaminationskeil (32, 86) während eines Stoßes, bei dem sich das erste (74) und das zweite (76) Stoßelement entlang der Längsachse des Verbundrohres (10, 70) aufeinander zu bewegen, von dem ersten Stoßelement (74) gegen den Absatz (30, 90) gedrückt wird, wobei die Delamination des rohrförmigen Hauptkörperabschnitts (26, 72) für die Absorption der Stoßenergie sorgt.
Energieabsorbierendes System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ende des rohrförmigen Hauptkörperabschnitts (72), das an dem zweiten Stoßelement (76) befestigbar ist, einen zweiten integralen Befestigungsabschnitt umfasst, der ein Ende zum Befestigen des zweiten Stoßelementes aufweist, das in eine Buchse einführbar ist, die sich im zweiten Stoßelement (76) befindet, wobei der zweite Befestigungsabschnitt Fasern aufweist, die in eine Kunstharzmatrix eingebettet sind, um den zweiten Befestigungsabschnitt zu bilden, der einen Außenumfang hat, der kleiner ist als der Außenumfang des rohrförmigen Hauptkörperabschnitts (72), um einen zweiten Absatz (92) am Verbundrohr (70) zu schaffen, wobei das energieabsorbierende Verbundrohr (70) ferner einen zweiten Delaminationskeil (88) aufweist, der sich umfangsseitig am zweiten Befestigungsabschnitt, an den zweiten Absatz (92) anstoßend, befindet, wobei der Delaminationskeil (88) so geformt ist, dass er für die Delamination des rohrförmigen Hauptkörperabschnitts (72) sorgt, wenn der Delaminationskeil (88) während eines Stoßes, bei dem sich das erste (74) und das zweite (76) Stoßelement entlang der Längsachse des Verbundrohres (70) aufeinander zu bewegen, vom zweiten Stoßelement (76) gegen den zweiten Absatz (92) gedrückt wird, wobei die Delamination des rohrförmigen Hauptkörperabschnitts (72) für die Absorption der Stoßenergie sorgt.
Energieabsorbierendes System nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die Kunstharzmatrix aus der Gruppe von Kunstharzen ausgewählt wird, die aus Epoxydharz, Nylon, Polyester, Vinylester, Polypropylen und Acryl besteht.
Energieabsorbierendes System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Kunstharzfasern aus der Gruppe ausgewählt werden, die aus Glas, Kohlenstoff, Keramik, Aramid und Thermoplast besteht.
Energieabsorbierendes System nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der rohrförmige Hauptkörperabschnitt (26, 72) und der Befestigungsabschnitt (16) kreisförmige Umfänge haben.
Energieabsorbierendes System nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Fasern einschichtig oder mehrschichtig angeordnet sind und eine Ausrichtung aufweisen, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus gewobenen, gleichlaufenden oder willkürlich ausgerichteten Fasern besteht.
Energieabsorbierendes System nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das System ferner aufweist: C) ein erstes Stoßelement (74); und D) ein zweites Stoßelement (76), das an dem ersten Stoßelement (74) befestigt ist, wobei das energieabsorbierende Verbundrohr (10, 70) eine Halterung zwischen dem ersten Stoßelement (74) und dem zweiten Stoßelement (76) bildet, und wobei das Ende (18) des rohrförmigen Hauptkörperabschnitts (26, 72), das an dem zweiten Stoßelement (76) befestigbar ist, daran befestigt wird.
Energieabsorbierendes System nach Anspruch 7, wobei das erste Stoßelement (74) ein Fahrzeug ist und das zweite Stoßelement (76) ein Stoßfänger für das Fahrzeug ist.
Energieabsorbierendes System nach Anspruch 8, wobei das Fahrzeug ein Automobil ist.
Energieabsorbierendes System nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei der Delaminationskeil (32, 86) einstückig mit der Buchse (14) ausgebildet ist, die sich in dem ersten Stoßelement (74) befindet.
Energieabsorbierendes System nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei der zweite Delaminationskeil einstückig mit der Buchse ausgebildet ist, die sich in dem zweiten Stoßelement befindet.
Verfahren zur Absorption von Energie während eines Stoßes, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: A) des Bereitstellens eines Systems zur Absorption von Stoßenergie nach einem der Ansprüche 7 und 11; und B) des Zusammendrückens des zweiten Stoßelements (76) mit einer Kraft, die entlang der Längsachse des Verbundrohres (10, 70) eine ausreichend große Stoßenergie hat, um für die Delamination des rohrförmigen Hauptkörperabschnitts (26, 72) und die Absorption von zumindest einem Teil der Stoßenergie zu sorgen.
Verfahren zur Herstellung eines energieabsorbierenden Systems, das verwendet wird, um ein erstes Stoßelement (74) an einem zweiten Stoßelement (76) zu befestigen, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: A) des Ausbildens eines eine Längsachse aufweisenden Verbundrohres (10, 70), umfassend: a) einen Befestigungsabschnitt (16), der ein Ende (22, 78) zum Befestigen des ersten Stoßelementes aufweist, das in eine Buchse (14) einführbar ist, die sich in dem ersten Stoßelement (74) befindet, wobei der Befestigungsabschnitt (16) Fasern aufweist, die in eine Kunstharzmatrix eingebettet sind, um den Befestigungsabschnitt (16) mit einem Außenumfang zu bilden; b) einen rohrförmigen Hauptkörperabschnitt (26, 72), der einstückig mit dem Befestigungsabschnitt (16) ausgebildet ist, wobei der rohrförmige Hauptkörperabschnitt (26, 72) ein Ende (18) aufweist, das an dem zweiten Stoßelement (76) befestigbar ist, und wobei der rohrförmige Hauptkörperabschnitt (26, 72) Fasern aufweist, die in eine Kunstharzmatrix eingebettet sind, um einen rohrförmigen Hauptkörperabschnitt (26, 72) zu formen, der einen Außenumfang hat, der größer ist als der Außenumfang des Befestigungsabschnitts (16), um umfangsseitig am Befestigungsabschnitt (16), dort wo dieser an den rohrförmigen Hauptkörperabschnitt (26, 72) anstückt, einen Absatz (30, 90) zu bilden; und B) des Bereitstellens eines Delaminationskeils (32, 86), der sich umfangsseitig am Befestigungsabschnitt (16), an den Absatz (30, 90) anstoßend, befindet, wobei der Delaminationskeil (32, 86) so geformt ist, dass er für die Delamination des rohrförmigen Hauptkörperabschnitts (26, 72) sorgt, wenn der Delaminationskeil (32, 86) während eines Stoßes, bei dem sich das erste (74) und das zweite (76) Stoßelement entlang der Längsachse des Verbundrohres (10, 70) aufeinander zu bewegen, vom ersten Stoßelement (74) gegen den Absatz (30, 90) gedrückt wird, wobei die Delamination des rohrförmigen Hauptkörperabschnitts (26, 72) für die Absorption der Stoßenergie sorgt.
Verfahren zur Herstellung eines energieabsorbierenden Systems nach Anspruch 13, das den zusätzlichen Schritt des Ausbildens eines Befestigungsabschnitts für das zweite Stoßelement am Ende des rohrförmigen Hauptkörperabschnitts (72) beinhaltet, der an dem zweiten Stoßelement (76) befestigbar ist, wobei der Befestigungsabschnitt für das zweite Stoßelement ein Befestigungsende aufweist, das in eine Buchse einführbar ist, die sich in dem zweiten Stoßelement (76) befindet, und wobei der zweite Befestigungsabschnitt Fasern aufweist, die in eine Kunstharzmatrix eingebettet sind, um einen zweiten Befestigungsabschnitt zu formen, der einen Außenumfang hat, der kleiner ist als der Außenumfang des rohrförmigen Hauptkörperabschnitts (72), um einen zweiten Absatz (92) an dem Verbundrohr (70) zu bilden, und einen zweiten Delaminationskeil (88) liefert, der sich umfangsseitig an dem zweiten Befestigungsabschnitt, an den zweiten Absatz (92) anstoßend, befindet, wobei der Delaminationskeil (88) so geformt ist, dass er die Delamination des rohrförmigen Hauptkörperabschnitts (72) herbeiführt, wenn der Delaminationskeil (88) während eines Stoßes, bei dem sich das erste (74) und das zweite (76) Stoßelement entlang der Längsachse des Verbundrohres (70) aufeinander zu bewegen, vom zweiten Stoßelement (76) gegen den zweiten Absatz (92) gedrückt wird, wobei die Delamination des rohrförmigen Hauptkörperabschnitts (72) für die Absorption der Stoßenergie sorgt.
Verfahren zur Herstellung eines energieabsorbierenden Systems nach Anspruch 13 oder Anspruch 14, wobei die Kunstharzmatrix aus der Gruppe von Kunstharzen ausgewählt wird, die aus Epoxydharz, Nylon, Polyester, Vinylester, Polypropylen und Acryl besteht.
Verfahren zur Herstellung eines energieabsorbierenden Systems nach einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei die Kunstharzfasern aus der Gruppe ausgewählt werden, die aus Glas, Kohlenstoff, Keramik, Aramid und Thermoplast besteht.
Verfahren zur Herstellung eines energieabsorbierenden Systems nach einem der Ansprüche 13 bis 16, wobei der rohrförmige Hauptkörperabschnitt (26, 72) und der Befestigungsabschnitt (16) kreisförmige Umfänge aufweisen.
Verfahren zur Herstellung eines energieabsorbierenden Systems nach einem der Ansprüche 13 bis 17, wobei die Fasern einschichtig oder mehrschichtig angeordnet sind und eine Ausrichtung aufweisen, die aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus gewobenen, gleichlaufenden oder willkürlich ausgerichteten Fasern besteht.