DE60303204T2 - Kraftbegrenzender energieabsorber - Google Patents

Kraftbegrenzender energieabsorber Download PDF

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Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen kraftbegrenzenden Energieabsorber. Die vorliegende Erfindung betrifft auch die Verwendung eines kraftbegrenzenden Energieabsorbers mit verschiedenen Sicherheitsvorrichtungen wie z.B. einem Sicherheitsgurt, einem Anti-Whiplash-Sitz, einem Kopfpolster, Rettungsleinen, Sicherungsleinen usw.
  • STAND DER TECHNIK
  • Kraftbegrenzende Energieabsorber oder Einrichtungen zur Verteilung der Energieaufnahme oder Energievernichtungsstrukturen zur sind vom Stand der Technik bekannt.
  • US-A-4.904.023 offenbart einen kraftbegrenzenden Energieabsorber, der eine Reihe von Streckelementen umfasst, die in der Richtung der Zugbeanspruchung einer hinter dem anderen liegen.
  • US-B1-6.267.314 offenbart einen kraftbegrenzenden Energieabsorber, der eine Torsionsfeder umfasst.
  • EP-A1-0 715 997 offenbart einen kraftbegrenzenden Energieabsorber, der ein Band mit einer Reihe von ablenkbaren Stangen umfasst.
  • DE2260437 offenbart eine kraftbegrenzende und dämpfende Vorrichtung, die mehrere verschiedene Metallmaterialien umfasst.
  • US4753772 offenbarte einen kraftbegrenzenden Energieabsorber nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, umfassend mehrere Metallbänder verschiedener Länge, die alle an ihren Enden so mit einem Paar Endelementen verbunden sind, dass mindestens jedes der Bänder bis auf das kürzeste gebogen ist, wenn keine Zugbeanspruchung an den Endelementen anliegt.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines alternativen kraftbegrenzenden Energieabsorbers.
  • Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines kraftbegrenzenden Absorbers, der nicht teuer in der Herstellung ist.
  • Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines kraftbegrenzenden Absorbers, der vorgegebenen Merkmalen entsprechend angepasst werden kann.
  • Noch eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines kraftbegrenzenden Absorbers, der leicht in Sicherheitssysteme eingebaut werden kann.
  • Erfindungsgemäß umfasst ein kraftbegrenzender Energieabsorber mindestens ein erstes und ein zweites gestrecktes Metallelement, wobei diese gestreckten Metallelemente aus einer Gruppe gewählt werden, die aus einem Metalldraht, einem profilierten Metalldraht, einem Metallstrang, einem Bündel aus unverdrillten Metalldrähten und einem Metallseil besteht. Dieses erste und zweite gestreckte Metallelement sind in ihrer plastischen Region ihres Last-Dehnung-Diagramms verformbar, um Energie zu absorbieren. Der erfindungsgemäße Energieabsorber ist dadurch gekennzeichnet, dass das Last-Dehnung-Diagramm und die Bruchdehnung des ersten gestreckten Metallelements sich vom Last-Dehnung-Diagramm und von der Bruchdehnung des zweiten gestreckten Metallelements unterscheiden.
  • Das gestreckte Metallelement wird aus einer Gruppe gewählt, die aus einem Metalldraht, einem profilierten Metalldraht, einem Metallstrang, einem Bündel aus unverdrillten Metalldrähten und einem Metallseil besteht. Die radialen Querschnitte der Drähte, die als solches für die gestreckten Metallelemente verwendet werden, oder die zur Bereitstellung der Metallstränge, -seile oder -bündel verwendet werden, die schließlich als gestreckte Metallelement verwendet werden, sind nicht auf eine kreisrunde Form beschränkt, sondern können auch eine profilierte Form aufweisen, z.B. eine rechteckige oder eine I-Profil-Form. Im Falle eines rechteckigen Querschnitts des gestreckten Metallelements weist der rechteckige Querschnitt eine erste (kurze) und eine zweite (lange) Seite auf, die ein Verhältnis kurze Seite/lange Seite bevorzugt kleiner als 1/20 aufweisen. Der Querschnitt eines gestreckten Metallelements, das benutzt wird, um einen erfindungsgemäßen kraftbegrenzenden Energieabsorber bereitzustellen, liegt bevorzugt in einem Bereich von 0,002 mm2 bis 700 mm2.
  • Im Vergleich zu einem Metallseil, einem Metallstrang oder einer Metallschnur absorbiert ein Metalldraht mehr Energie pro Volumeneinheit Metall. Deshalb ist ein Metalldraht einer verdrillten Struktur gegenüber vorzuziehen.
  • Mehrere Metalle oder Metallegierungen können zur Herstellung des gestreckten Metallelements verwendet werden, wie z.B. Al oder Al-Legierungen, Cu oder Cu-Legierungen oder Zn oder Zn-Legierungen. Bevorzugt werden aber Stahllegierungen benutzt.
  • Bevorzugt weist das erste oder das zweite gestreckte Metallelement eine irreversible plastische Bruchdehnung von über 5% auf, z.B. über 7%. In einer spezifischen Ausführungsform der Erfindung ist das gestreckte Metallelement ein kohlenstoffarmer Stahldraht, d.h. ein Stahldraht mit einem Kohlenstoffgehalt unter 0,20%, der vergütet wurde, um eine Bruchdehnung von mehr als 20% aufzuweisen, z.B. von mehr als 30%. Nach einer Dehnung von nur 1% sind bereits 80% der Höchstkraft erreicht, worauf die Kraft nur geringfügig zunimmt. Mit anderen Worten, dieser vergütete kohlenstoffarme Stahldraht weist ein Kraft-Dehnung-Diagramm auf, das sich in der plastischen Region einer konstanten Kraft nähert.
  • Falls die Kraftzunahme zu Beginn der Dehnung zu hoch ist, kann das erste und/oder das zweite gestreckte Metallelement mit einer oder mehreren Welligkeiten versehen werden, Wellen oder Kräuselungen, z.B., indem sie zwischen einem Paar Zahnräder plastisch verformt werden, wodurch eine strukturelle Dehnung in das gestreckte Metallelement eingeführt wird, und wodurch die anfängliche Steigung einer Last-Dehnung-Kurve nicht so hoch ist.
  • Die Arbeitsweise eines erfindungsgemäßen kraftbegrenzenden Energieabsorbers mit einem ersten und zweiten gestreckten Metallelement wird im Folgenden beschrieben.
  • Das erste gestreckte Metallelement weist ein erstes Last-Dehnung-Diagramm und eine Bruchdehnung ε1 auf, und das zweite gestreckte Metallelement weist ein zweites Last-Dehnung-Diagramm und eine Bruchdehnung ε2 auf. Die erste Dehnung ε1 ist kleiner als die zweite Dehnung ε2. Zum Beispiel ist ε2 mehr als zwei Mal so groß wie ε1.
  • Solch ein kraftbegrenzender Energieabsorber gestattet eine zweiphasige Arbeitsweise. In einer ersten Phase, z.B. direkt nach einem Zusammenprall, ist die Kraft größer als in einer zweiten Phase, die auf die erste Phase folgt. In der ersten Phase erreicht das erste gestreckte Metallelement sehr schnell seine Höchstkraft und hält dieses Niveau, bis eine Höchstdehnung ε1, z.B. 7% oder sogar höher, erreicht wird. Wenn die Höchstdehnung des ersten gestreckten Metallelements erreicht ist, bricht das erste gestreckte Metallelement, und das zweite gestreckte Metallelement nimmt seine Stelle ein, und die Kraft fällt auf ein niedrigeres Niveau ab. Die Kraft bleibt dort mehr oder weniger konstant, bis eine viel höhere Dehnung ε2, z.B. von etwa 20% oder sogar 30% oder mehr, erreicht worden ist.
  • Zum Beispiel kann solch ein kraftbegrenzender Energieabsorber mit einem Stahldraht hergestellt werden, der das zweite gestreckte Metallelement ist, mit einem relativ niedrigen Kohlenstoffgehalt, d.h. kleiner als 0,20 Prozent, der vergütet wurde und eine Dehnung ε2 größer als 20% aufweist. Ein anderer Stahldraht, der das erste gestreckte Metallelement ist, weist einen relativ höheren Kohlenstoffgehalt auf, d.h. höher als 0,60 Prozent, und kann einer Entspannungsschlussbehandlung unterzogen werden, damit eine Dehnung von etwa 5% bis 7% erreicht wird.
  • Es ist klar, dass der Energieabsorber mehr als zwei gestreckte Metallelemente umfassen kann. Jedes der zusätzlichen gestreckten Metallelemente kann ein anderes Last-Dehnung-Diagramm und eine andere Bruchdehnung aufweisen. Einige der zusätzlichen gestreckten Metallelemente können möglicherweise mit dem ersten oder dem zweiten gestreckten Metallelement identisch sein. Es können dann Sätze aus gestreckten Metallelementen definiert werden, die miteinander identisch sind.
  • Für den Fachmann versteht es sich, dass mehr als zwei Phasen mit mehr als zwei Sätzen aus gestreckten Metallelementen vorgesehen werden können, z.B. 2, 3, 4 oder gar 5 Sätzen aus verschiedenen gestreckten Metallelementen.
  • Alle gestreckten Metallelemente weisen bevorzugt im Wesentlichen die gleiche Länge auf.
  • In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung sind die gestreckten Metallelemente in einer Matrix ein gebettet. Mehrere Polymere, bevorzugt thermoplastische Polymere, können als Matrix verwendet werden, wie z.B. Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Polystyrol (PS), Polyethylenterepthalat (PET), Polyethylennapthalat (PEN), Polybutylenterepthalat (PBT), Polyvinylchlorid (PVC), Polyamid (PA), Polyester (PES), Polyimid (PI), Polycarbonat (PC), Styrolacrylnitril (SAN), Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS), thermoplastische Polyurethane (TPU), thermoplastische Polyolefine (TPO), thermoplastische Copolyetherester. Alternativ dazu kann Naturkautschuk oder synthetischer Kautschuk als Matrix verwendet werden, oder die gestreckten Metallelemente können in einer Metallmatrix eingebettet sein, z.B. Al oder Al-Legierung oder Cu oder Cu-Legierung oder Zn oder Zn-Legierung.
  • Bevorzugt ist eine chemische Bindung zwischen dem gestreckten Metallelementen und der Matrix vorgesehen.
  • Für einen Fachmann versteht es sich, dass ein kraftbegrenzender Energieabsorber darüber hinaus andere Teile umfassen kann, z.B. einen Dehnungsbegrenzer (der die Unversehrtheit des kraftbegrenzenden Energieabsorbers und des Systems gewährleistet, wo er eingesetzt wird, wenn er über seine Höchstlastgrenze hinaus belastet wird, und der die Höchstdehnung begrenzt, die durch Entfernungbeschränkungen auferlegt wird), ein Kontrollteil, das anzeigt, dass der kraftbegrenzende Energieabsorber Energie absorbiert hat, und Befestigungsmittel, um den kraftbegrenzenden Energieabsorber an Aussenkörper zu befestigen.
  • Im Folgenden wird die Arbeitsweise eines erfindungsgemäßen kraftbegrenzenden Energieabsorbers beschrieben. Während einer Fahrzeugkollision wird das Fahrzeug verlangsamt. Anfangs werden der Fahrer und die Insassen nicht verlangsamt. Dadurch werden sie relativ zum Fahrzeug beschleunigt. Diese Beschleunigung soll durch das Sicherheitsgurtsystem, das die Bewegung des Fahrers und der Insassen relativ zum Fahrzeug begrenzt, verhindert werden. Dadurch bewirkt das Sicherheitsgurtsystem eine gewisse Verlangsamung, die die Bewegung des Fahrers und der Insassen relativ zum Fahrzeug einschränkt. Diese Kraft muss aber begrenzt werden. Wenn die Kraft, die vom Sicherheitsgut auf den Fahrer oder die Insassen ausgeübt wird, zu hoch ist, kann diese schwere Verletzung zur Folge haben, z.B. Knochenbrüche oder innere Blutungen. Die Kräfte, die vom Sicherheitsgurt auf den Fahrer oder den Insassen ausgeübt werden, müssen begrenzt werden, was mit Hilfe eines kraftbegrenzenden Energieabsorbers erfolgen kann.
  • Bei einer Fahrzeugkollision stellt die Verlangsamung des Fahrzeugs ganz am Anfang kein Problem dar. Die Anfangsverformungen finden auf der Ebene des Aufprallschutzes statt. Diese Verlangsamung kann direkt auf den Fahrer und jeden anwesenden Insassen ausgeübt werden. Mit fortschreitender Verformung des Fahrzeugs nimmt die Verlangsamung des Fahrzeugs zu. Deshalb nehmen die Beschleunigung des Fahrers oder der Insassen relativ zum Fahrzeug und die betreffende Kraft zu. Die entsprechende Kraft, die vom Sicherheitsgurt auf den Fahrer oder Insassen ausgeübt wird, um diese Beschleunigung aufzuheben, würde zu hoch werden. Eine kontrollierte Bewegung des Fahrers oder der Insassen muss unter der maximal zulässigen Kraft zugelassen werden. Dies wird mit Hilfe eines kraftbegrenzenden Energieabsorbers erreicht, der auf irreversible Weise Energie absorbiert. Die Verlangsamung des Fahrers und der Insassen wird über einen Zeitbereich hinweg verteilt, der so groß wie möglich ist, unter Berücksichtigung der Arbeitsweise anderer Sicherheitssysteme wie z.B. Airbags, und der Entfernungsbeschränkungen. Durch Begrenzung der Kraft auf irreversible Weise wird auch die elastische Rückfederung begrenzt, was die Wahrscheinlichkeit von Peitschenschlag-Verletzungen oder anderer Verletzungen verringern kann.
  • In der vorliegenden Erfindung wird die Kraft, die vom Sicherheitsgurtsystem auf den Fahrer oder die Insassen ausgeübt wird, im Wesentlichen konstant gehalten, indem das gestreckte Metallelement, z.B. der Stahldraht, in seiner plastischen Verformungsregion gedehnt wird, möglicherweise bis zum Bruch des gestreckten Metallelements. Daher weist das gestreckte Metallelement, z.B. ein Stahldraht, bevorzugt eine irreversible plastische Bruchdehnung von über 5% auf, z.B. über 7%. Indem er diese plastische Dehnung erreicht, absorbiert der kraftbegrenzende Energieabsorber die Energie des Fahrers oder Insassen am Sicherheitsgurt.
  • In zahlreichen anderen Anwendungen eines erfindungsgemäßen kraftbegrenzenden Energieabsorbers wird die Energie eines Gegenstands auf eine ähnliche Weise absorbiert, was die plastische irreversible Dehnung des gestreckten Metallelements des kraftbegrenzenden Energieabsorbers zur Folge hat. Derartige Anwendungen sind z.B. Anti-Whiplash-Einrichtungen und -sitze, Rettungsleinen und oder Sicherungen für Arbeiter in großer Höhe, Halteanwendungen für verschiedene Gegenstände, Sicherheitsnetz oder Sicherheitstrampoline.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die Erfindung wird nun Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen ausführlich beschrieben, wobei:
  • 1 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen kraftbegrenzenden Energieabsorbers ist.
  • 2 Last-Dehnung-Kurven eines kraftbegrenzenden Energieabsorbers von 1 zeigt, und der Drähte, die zur Bereitstellung dieses kraftbegrenzenden Energieabsorbers verwendet werden.
  • 3 und 4 auf schematische Weise ein Sicherheitsgurtsystem zeigen, das einen kraftbegrenzenden Energieabsorber umfasst.
  • BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
  • Eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen kraftbegrenzenden Energieabsorbers 11 wird in 1 gezeigt. Ein erstes gestrecktes Metallelement ist ein Stahldraht 12, der einen Durchmesser von 1,44 mm aufweist und aus einer Stahllegierung besteht, die 0,80% C, 0,40 bis 0,70% Mn, 0,10 bis 0,35% Si, einen Höchstgehalt an S von 0,04 und einen Höchstgehalt an P von 0,04% enthält. Der hartgezogene Stahldraht wird einer Patentierbehandlung unterzogen, so dass seine Bruchdehnung mindestens 7% beträgt.
  • Ein zweites und zusätzliches gestrecktes Metallelement umfasst sechs andere Stahldrähte 13, die einen Durchmesser von 1,46 mm aufweisen und aus vergütetem kohlenstoffarmem Stahl bestehen, der weniger als 0,10% C, weniger als 0,6% Mn, weniger als 0,3% Si, einem Höchstgehalt an S von 0,035 und einen Höchstgehalt an P von 0,035% enthält.
  • Diese 7 Drähte, die im Wesentlichen parallel zueinander liegen, sind in einer synthetischen Kautschukmatrix 14 eingebettet. Eine chemische Haftung zwischen Drähten und Kautschukmatrix wird erreicht. Diese chemische Haftung kann verbessert werden, indem geeignete Überzüge auf dem Draht verwendet werden. Im Fall von Kautschuk ist dieser Überzug bevorzugt ein Messing- oder Bronzeüberzug.
  • Wie in 2 gezeigt, ist der Einfluss beider Drähte 12 und 13 deutlich, wenn der kraftbegrenzende Energieabsorber 11 einem Dehnungsvorgang ausgesetzt wird.
  • In einer ersten Phase 21 des Dehnungsvorgangs ist die Kraft (auf der linken Skala in Newton (N) ausgedrückt) größer als in der zweiten Phase 22, die auf die erste Phase 21 folgt. In der ersten Phase 21 erreicht der kohlenstoffreichere Stahldraht 12 sehr schnell sein maximales Kraftniveau 24 und bleibt dort bis zu einer Höchstdehnung 26, in der vorliegenden Ausführungsform 7,8%. Wenn die Höchstdehnung erreicht wird, ist der kohlenstoffreiche Stahldraht in seiner plastischen Verformungsregion der Last-Dehnung-Kurve maximal verformt, und der kohlenstoffreichere Stahldraht 12 bricht, (wonach) ein oder bevorzugt mehrere kohlenstoffärmere Stahldrähte 13 die restliche Energie weiter absorbieren. Die Kraft, die vom kraftbegrenzenden Energieabsorber ausgeübt wird, fällt auf ein niedrigeres Niveau 25 ab, das der Summe der Bruchlasten der kohlenstoffärmeren Stahldrähte 13 (entspricht). Die Kraft bleibt dort mehr oder weniger konstant, bis der kraftbegrenzende Energieabsorber eine viel höhere Dehnung 27 von 22% erreicht hat, ein Ende ihrer plastischen Verformungsregion. In dieser Ausführungsform bricht jeder Draht 13 einer nach dem anderen. Möglicherweise können einige oder alle Drähte 13 zugleich brechen, was sogar eine noch höhere Dehnung 27 bewirken kann. Die dritte Phase 23 wird durch die Dehnung und den Bruch der Kautschukmatrix verursacht.
  • Es ist klar, dass die Form der Last-Dehnung-Kurve 211 des kraftbegrenzenden Energieabsorbers 11 durch die Eigenschaften der Drähte 12 und 13 definiert wird. Die Last-Dehnung-Kurven der jeweiligen Drähte 12 und 13 sind in 2 als Kurve 212 und 213 dargestellt. Die Last-Dehnung-Kurven werden mit einer Messlänge von 100 mm gemessen.
  • Falls die Kraftzunahme zu Anfang der Kurve zu hoch ist, kann der Draht 12 mit einer oder mehreren Kräuselungen versehen werden, z.B. einer sinusförmigen Kräuselung mit einer Wellenlänge von 42 mm und Amplitude von 2 mm. Die Last-Dehnung-Kurve solch eines gekräuselten Drahtes ist in 2 als Kurve 212a dargestellt. Die Last- Dehnung-Kurve eines kraftbegrenzenden Energieabsorbers mit solch einem gekräuselten Draht anstelle des Drahts 12, der ferner die gleichen Eigenschaften wie der Draht 12 aufweist, gibt eine identische Änderung in der Last-Dehnung-Kurve des kraftbegrenzenden Energieabsorbers wieder.
  • 3 zeigt die Verwendung eines erfindungsgemäßen kraftbegrenzenden Energieabsorbers 32 in einem Sicherheitsgurtsystem 31. Der kraftbegrenzende Energieabsorber ist zwischen der Gurtschnalle 34 zum Einführen der Zunge 35 des Gurts 36 und der Fahrzeugstruktur angeordnet. Alternativ dazu, wie in 4 gezeigt, ist der kraftbegrenzende Energieabsorber 41 zwischen dem Gurtaufroller 44 mit dem Gurt 43 und der Fahrzeugstruktur 42 angeordnet.

Claims (10)

  1. Kraftbegrenzender Energieabsorber (11, 32, 41), umfassend mindestens ein erstes (13) und ein zweites (12) gestrecktes Metallelement, wobei diese gestreckten Metallelemente (12, 13) aus einer Gruppe gewählt werden, die aus einem Metalldraht, einem profilierten Metalldraht, einem Metallstrang, einem Bündel aus unverdrillten Metalldrähten und einem Metallseil besteht, diese gestreckten Metallelemente (12, 13) in ihrer plastischen Region ihres Last-Dehnung-Diagramms verformbar sind, um Energie zu absorbieren, das Last-Dehnung-Diagramm und die Bruchdehnung des ersten gestreckten Metallelements (13) sich vom Last-Dehnung-Diagramm und von der Bruchdehnung des zweiten gestreckten Metallelements (12) unterscheiden, die gestreckten Metallelemente (12, 13) gestreckte Stahlelemente sind, dadurch gekennzeichnet, daß das erste (13) und das zweite (12) gestreckte Metallelement im wesentlichen die gleiche Länge aufweisen, das erste gestreckte Metallelement (13) einen Kohlenstoffgehalt von unter 0,20 Prozent aufweist und eine Bruchdehnung von über 20 Prozent aufweist, das zweite gestreckte Metallelement (12) einen Kohlenstoffgehalt höher als 0,60 Prozent aufweist.
  2. Energieabsorber nach Anspruch 1, wobei die gestreckten Metallelemente (12, 13) Metalldrähte sind.
  3. Energieabsorber nach einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei das erste (13) und das zweite (12) gestreckte Metallelement eine Bruchdehnung von mindestens fünf Prozent aufweisen.
  4. Energieabsorber nach einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei mindestens eines der gestreckten Metallelemente (12, 13) mit einer welligen Form versehen ist.
  5. Energieabsorber nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Energieabsorber (11, 32, 41) ferner zusätzliche gestreckte Metallelemente umfaßt.
  6. Energieabsorber nach Anspruch 5, wobei diese zusätzlichen gestreckten Metallelemente mit dem ersten (13) oder zweiten (12) gestreckten Metallelement identisch sind.
  7. Energieabsorber nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die gestreckten Metallelemente (12, 13) in einer Matrix (14) eingebettet sind.
  8. Energieabsorber nach Anspruch 7, wobei die Matrix (14) eine Polymer-Matrix ist.
  9. Energieabsorber nach einem der Ansprüche 7 bis 8, wobei eine chemische Bindung zwischen den gestreckten Metallelementen und der Matrix (14) vorgesehen ist.
  10. Sicherheitsgurt (31), umfassend einen oder mehrere Energieabsorber (32, 41) nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
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