201034883 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一能量消耗元件，其形式為一於縱向延伸之空 心體，其中該能量消耗元件具一構成空心體外殼面之殼壁，且其 中該能量消耗元件設計成當於前端面上遭到超過一臨界值之衝擊 時’即起反應，且於衝擊力傳遞過程中，將落於能量消耗元件上 之衝擊能之至少一部分，以塑性變形消耗掉，亦即，轉換成變形 能與熱能。本發明亦關於一防撞保險，特別係關於用於在軌行駛 之車輛，例如軌道車輛，於前端作為側邊緩衝器之防撞保險，或 用於一鐵軌末端緩衝器，其中該防撞保險具一前述類型之能量消 耗元件。 【先前技術】 前述類型之能量消耗元件，以原理而言，一般於先前技術中 係為習知，且例如於軌道車輛技術中特別使用作為防撞保險之一 部分。於軌道車輛上，一般此類防撞保險係由一拉/撞裝置（例如 ^簧機構之形式）及-不可逆之能量消耗元件結合而成，其中 此量消耗元件之目的在於保護車輛，即使車速甚高。通常都設置 成丄拉/撞裝置能承受預定大小之拉力或撞擊力，超過該預定值之 2先被導人-mi,肖耗疋件，再將超過設計水準之能量繼續導 入車輛底盤。 多節二裝Γ固然可吸收拉力㈣擊力，該拉力及撞擊力於 車輛正常躲h現於例如料車廂之間，通常拉力及 行時：再生式拉/撞裝置吸收。於超過拉/撞裝置之工作負 礙時，拉/撞裝置及於各節車廂之間可能 節裝置或二二，ri置:或各節車絲σ之間可能裝設之關 ^ ’可能毁壞或受損。撞擊能量更高時 ，單獨拉/ 201034883 撞裝置不足以消耗全部產生之能量。因而存在一危險，即車輛底 盤及整節車廂被用於進一步消耗能量。這使得車底盤及整節車廂 暴露於極端負荷中，可能受損或毀壞。軌遒車輛此時產生脫軌危 - 險。 - 為達保遵車輛底盤之目的’使其於強烈撞擊中不受損壞，常 常使用破壞式能量消耗元件，作為額外或單獨之能量消耗裝置， 該能量消耗元件例如設計成於拉/撞裝置耗盡功能後啟動，至少局 部吸收並降低力流經過能量消耗元件所傳遞之能量。作為能量消 〇 耗元件’常被考慮者為變形物體’此類變形物體於壓力超過臨界 值時’經一（期望之）塑性變形以破壞方式，將衝擊能轉換為變 形能及熱能。 能量消耗元件使用一變形管’用以轉換衝擊能，該能量消耗 元件具一基本上為方形走勢之特徵曲線，因而確保能量消耗元件 啟動後達最大之能量吸收。 德國專利申請案DE 102 52 175 A1公開將一例如傳統能量消 耗元件用於一防撞保險中。於該先前技術中，防撞保險以套筒緩 衝器之方式實施’用於活動或固定承載結構。其使用一伸縮構造， 〇具一設計成緩衝套筒之缓衝器機殼，緩衝器機殼内至少局部收納 一形式為一緩衝桿及一阻尼元件之力量傳遞環節，例如形式為一 彈簧或一彈性體。於此類構造中，緩衝器機殼之作用如—縱向導 引’同時支撐橫向力量，而被收納於緩衝器機殼内之阻尼元件（彈 * 簧或彈性體）則做縱向之力量傳遞。 於德國專利申請案DE 102 52 175 A1中考慮之問題係，於到 達最大緩衝行程後，亦即於阻尼元件之阻尼效果耗盡後，超過套 筒緩衝器設計負荷之衝擊力不致毫無阻攔地繼續傳入承載結構。 為達此目的，於該先前技術公開之套筒緩衝器中，將套筒緩衝器 5 201034883 之導引部設計成，於耗盡最大緩衝行程後，其套筒緩衝器之導引 部打擊於一預定之擋塊上，且扯壞預設於缓衝桿之導引部與緩衝 桿之間之必破連接(Sollbruchverbindung)。預設此類之「必破連接」 使緩衝器之變形長度放大，係由於必破連接失效後，將容許缓衝 桿於緩衝器機殼方向做相對運動。因變形長度放大，而容許緩衝 器機殼於超過負何時產生塑性變形。 細節上，於德國專利申請案DE 102 52 175 A1公開之解決方 案中，緩衝桿之一端部區以伸縮方式被收納入緩衝器機殼。當必 破連接起反應時’緩衝桿繼續朝緩衝器機殼方向運動，其結果係 緩衝器機殼塑性變形，以破壞方式將衝擊能轉換成變形能及熱能。 於此先前技術公開之解決方案中，當超過負荷時，緩衝器機 殼負起能量消耗元件之功能，而能量消耗元件之設計在於，當能 量消耗元件前端面之衝擊力超過臨界值時，能量消耗元件開始反 應，並至少將衝擊力傳遞時，落於能量消耗元件上之衝擊能量以 塑性變形消耗掉一部份，亦即，轉換成變形能與熱能。隨著於超 過負荷時出現之缓衝器機殼之變形，得到一防撞保險。因而，先 前技術中公開之套筒緩衝器設計成，於強烈衝擊時，一定程度地 保護承載結構，使其不受損。 其缺點在於’於該先前技術公開之解決方案中，其設計限定 約僅緩衝器長度之一半可用於防撞保險。於該已知解決方案中， 緩衝器機殼變形後，緩衝器無法於縱向繼續縮短，因而緩衝器機 殼無法繼續做塑性變形。 另一方面，由先前技術另外可知，使用一形式例如為變形管 之能量消耗元件’作為防撞保險。超過一臨界反應力後，防撞保 險啟動，經由變形管之一塑性變形，至少將力量傳遞中產生之能 量一部分轉換成變形能與熱能，因而「消耗」掉。其間習知係， 201034883 於減少橫向截面積情況下，通過一例如設於衝板上之錐形孔而壓 迫變形管’或通過一錐形環壓迫變形管，使其橫截面擴張。於防 撞保險之該實施例中，必須提供一額外結構空間，容納塑性變形 後之變形管。 【發明内容】 由於該缺點，本發明之目的因此在於，繼續改進前述類型之 能量消耗元件’使得於能量消耗元件啟動時，用於容納能量消耗 元件之安裝空間’於消耗能量觀點上，可最佳利用。特別係繼續 〇 改進前述類型之能量消耗元件，使得能量消耗元件啟動時，可於 能量消耗元件之縱向’於其安裝長度限制下’沿著盡可能長之變 形路徑，做塑性變形，使得於進行能量消耗時，可於一確定之能 量消耗元件之反應行為下及於一可預期之事件發展下，產生充分 高之能量消耗。 於一前述類型之能量消耗元件上，本發明之目的係藉由以下 方式達到，即至少提供一由一輪廓構成且沿空心體縱軸延伸之變 形元件，該變形元件構成一能量消耗元件之殼壁，該能量消耗元 ^ 件於造型上係一於一縱向延伸之空心體。 此處可想而知，例如，對於以空心體造型構成之能量消耗元 件，使用一由一輪廓構成，例如由一空心輪廓構成之圓環狀變形 元件，作為變形元件，其中圓環狀變形元件之旋轉軸與空心體之 縱軸重合。於一較佳實施例中，至少設置二對空心體縱軸延伸、 各設計成圓環狀之變形元件，其中該至少二圓環狀之變形元件之 • 任一旋轉軸與空心體之縱軸重合。顯而易見，亦可僅使用單一圓 環狀之變形元件作為能量消耗元件。 作為替代方案，同樣可以想見，對於以空心體造型構成之能 I消耗元件，使用一由一輪廓構成之螺旋狀或蝸線狀之變形元 7 201034883 件，作為變形元件，其中該螺旋狀或蝸線狀之變形元件之縱軸與 空心體之縱軸重合。其中該螺旋狀或蝸線狀之變形元件最好至少 具二有間隙或無間隙前後接觸之圍匝。 根據本發明之解決方案達到之優點十分顯然，不管使用至少 一由一輪廓構成之圓環狀之變形元件或使用一由一輪廓構成之螺 旋狀或媧線狀之變形元件，皆構成一基本上管狀或錐狀之能量消 耗元件。能量消耗元件之外殼面由圍匝之外表面自然構成。該由 一輪廓構成，特別是由一空心輪廓構成之至少一圓環狀及螺旋狀 或蜗線狀之變形元件之作法，使得於能量消耗元件啟動時，個別 圓環狀變形元件及螺旋狀或蜗線狀之變形元件之個別圍匝產生一 塑性變形。其效果係，與先前技術中已知及前述之解決方案相較， 於能量消耗元件啟動時，於最大變形狀態下能量消耗元件之阻礙 長度相較於於未變形狀態下能量消耗元件之長度，變得極短。 根據本發明之解決方案使得能量消耗元件於縱向一小段縮短 就能消耗很高之能量。以此方式，安裝能量消耗元件需要之安裝 空間及使用於撞毁狀況所需之安裝空間，可以變小。 經由該以空心體形式構成之能量消耗元件特別構造，其中能 量消耗元件具至少一由一輪廓構成且對空心體縱軸延伸之變形元 件’能量消耗元件於消耗能量時，具自我穩定特性。特別係，此 特性對能量消耗元件之每一變形狀態皆成立。因而，於能量消耗 時，其事件發展可預期◎此外，能量消耗元件不僅於軸向，且於 徑向’可與其他機械構件做結構性連接，係由於能量消耗元件並 不僅於非變形狀態’且亦於變形狀態，於縱向與橫向具足夠之結 構強度。 根據本發明之解決方案另一優點在於，能量消耗元件之反應 行為對能量消耗元件可能之材料瑕疵不敏感。 201034883 當使用-由-輪賴成之螺旋狀或蜗線狀之㈣元件 對空心體軸祕伸之㈣元件，其㈣旋狀或輯狀 2 之縱軸與空心體之_重合，則亦可達到此優點。變形元件2 旋狀或親狀結構之優點在於，當變_ ’輪廓截面沿著= .ί堝Ϊ恭保持—幾乎相同之變形力水平’朝螺旋線縱軸或蜗線Ϊ 軸方向發生一連續變形。 〜勺碾縱 構成該至少-Μ心體_延伸之制元 元件或螺旋狀之變形元件）之輪和具任何截面幾何，例== ◎係^圓形、Μ形、六角形或正方形截面幾何。另—方面另 j 可想而知’該輪射設計成—於截面上耻之輪廓，例如—且顯 字形、u字形、雙τ字形或z字形截面之輪廊。 - ^量消耗元件之空心、體係由至少—由空心輪廓構成且沿 體=轴延伸之㈣元件構成，_縱向延伸之能量消耗元件^ 心體可具-沿能量消耗元件之縱向觀察不變之截面。另—方面二 ’可令空心體之截面沿能量消耗元件之縱向變化。特別 空心體具—漸縮之形狀。該錐形造型之優點在於，^ 〇 Ξ=扭距’及對抗偏心之縱向力方面，能量消耗元件具 *於根據本發明之能量消耗元件之—較佳改進例中，空 狀變形元件構成，圓環狀變形元件互相:接且: •構成方式連接，於該改進例中，至少設一由空心輪廓 固衣狀追加-變形元件，其旋轉軸與多個圓環狀變形元件之 .疋熟重合。目魏追加·變形祕可縣二互相祕之圓環狀 變形元;或可想而知，圓環狀追加-J Ρ又於一互相鄰接之圓J衰狀變形元件形成之一環挿之 9 201034883 外0 另一方面，於一能量消耗元件上，對空心體之縱軸延伸之變 形元件以一由空心輪廓構成之螺旋狀或蜗線狀之元件構成，於該 能量消耗元件上，可想而知，除螺旋狀或蜗線狀元件外，額外提 供一螺旋狀或蝸線狀之追加-變形元件，其中該螺旋狀或蜗線狀之 追加-變形元件之縱軸與變形元件之縱軸重合。於此，螺旋狀或蝸 線狀之追加-變形元件之園匝設於螺旋狀或蝸線狀之變形元件圍匝 之間形成之一槽内。同樣顯然可想而知，螺旋狀或蝸線狀之追加_ 變形兀件具一與螺旋狀或蝸線狀之變形元件不同之圍匝方向’及/ 或不同之螺距，使得螺旋狀或蝸線狀之追加變形元件不設在介於 螺旋狀或螞線狀之變形元件之晒間形成之槽内。最好螺旋狀或 蝸線狀之追加-變形元件與螺旋狀或蝸線狀之變形元件於至少一點 上以材料嵌合方式連接或黏接。同樣顯然可想而知該螺旋狀或 蜗線狀《追加_變形元件經絲方式，被保持於螺旋狀或蝸線狀之 變形兀件上。 【圖式簡單說明】 冷下將根據所關式對本發明之能量消耗元件 做進 一步說明。 各圖所示為： =據本發明《能量消耗元件第一實施例之侧視圖； 圖一 中根據本發明之能量消耗元件第—實施例之縱截面 圖； =四圖根:本發明《能量消耗元件第二實施例之側視圖； 圖二根據本發明之能量消耗元件第二實施例之縱截面 根據本發明之能量消耗元件第三實施例之侧視圖； 201034883 圖八圖五中根據本發明之能量消耗元件第三實施例之縱截面 圖， 圖七一根據本發明之能量消耗元件第四實施例之侧視圖； 圖八圖七中根據本發明之能量消耗元件第四實施例之縱截面 固 · - 圖， 圖九空心輪廓可能之截面造型，該至少一變形元件由此造塑構 成； 圖十a —根據本發明之能量消耗元件一實施例於未變形狀態之立 〇 體視圖；及 圖十b圖十a中所示之能量消耗元件於最大變形時之縱截面圖。 【實施方式】 於圖一中以侧視圖顯示根據本發明之能量消耗元件1之第一 實施例。成I消耗元件1裝設於一力量傳遞元件4與一基板5之 間，施加於力量傳遞元件4上之壓力經能量消耗元件丨之殼壁2 傳至基板5。如圖示，能量消耗元件丨之造型為一於縱向L延伸 (空心體。空心體之外殼面由能量消耗元件丨之殼壁2構成。 於圖一所示之根據本發明能量消耗元件丨之第一實施例中， 〇 能量消耗元件1之殼壁2由多個圓環狀變形元件3丨至3 n構成。 該圓環狀變形元件3.1至3.n設置成任一圓環狀變形元件31至3力 之旋轉軸L’與空心體之縱軸L重合。 圖二顯示圖一中能量消耗元件i之一縱截面，由圖中可直接 看出，圓環狀變形元件3.1至3·ιι沿能量消耗元件！之縱向Ε姆齊 • 排列。互相鄰接之圓環狀變形元件3.1至3. η彼此連接。可想而知， 個別圓環狀變形元件3.1至3.η之外部及/或内部以徑向及^或縱向 延伸之焊道或經由點焊互相連接。同時，顯然可知，各相鄰接^ 圓環狀變形元件3.1至3.11之各接觸面以黏接或夾固方式連接。又 11 201034883 由圖二另外可看出，每個圓環狀變形元件3.1至3 n出丄Α •n C由一輪 廓構成。此處可個別使用具圓形截面之封閉空心輪廓。顯然可_ 而知，具其他截面幾何，例如六角形、橢圓形或正方形之截面^ 何，亦可選用作為輪廓’構成圓環狀變形元件3.1 5 <5 圖九顯示可作為輪廓之截面幾何之若干舉例。金屬材質基本 適合作為輪廓之材質。然而亦可使用塑膠，例如熱塑膠或纖維強 化塑膠。 ' 圖三以侧視圖顯示根據本發明之能量消耗元件i之第二實施
例。圖四顯W於圖二中所7Γ能量消耗元件1之一縱截面圖 根據本發明之能量消耗元件丨之第二實施例與於圖_與圖二 所示之前述實施例不同處在於，除圓環狀變形元件31至3n外， 額外裝設多個圓環狀追加·變形元件6]至6.n。圓環狀追加n變形 元件6.1至6.n同樣由一輪廓構成。該等追加變形元件6丨至 之輪廓可具與圓環狀變形元件至3.n之輪廓㈣之空心體截 面。於圖三與_所示之能量消耗元件丨之實施例中，圓環狀追 加-變形元件6.1至6.n之截面小於變形元件31至3 n之截面。但
是，該等追加變形元件至6η之截面亦可等於或大於變形元 件3.1至3.η之截面。 特別由圖四可看出，圓環狀追加-變形元件6.!S6.n裝設:ί 二相鄰之圓環狀㈣元件中間_成之—環射。至於構成圓; 的追加變形兀件6.1至6η輪廓之截面造型則不同之截面幾^ 均可適用，例如圖九中所示者。 圖=及圖六中顯示_根據本發明之能量;肖耗元件丨之第三1 中二心體，能量消耗元件1之侧視圖，而圖六顯示圖」 中又能f消耗兀件1之縱截面圖。 與本發明之能量消耗元件1之第-實施例不同’第三實如 12 201034883 僅使用單一由一輪廓構成且沿空心體之縱軸延伸之變形元件。於 此處’該單—變形元件設計成螺旋狀變形元件3，其縱軸L’與空 &體<縱轴L重合°細節上，該螺旋狀變形元件3具多個園® 7,1 至7.n ’彼此以有間隙或無間隙方式連接，其中螺旋狀變形元件3 各互相鄰接之輪廓園匝7.1至7.n之個別園匝可用例如材料嵌合方 式彼此連接。 可以想見’以替代或追加方式，於能量消耗元件1之殼壁2 外侧及/或於能量消耗元件1之殼壁2内侧，設置例如縱向延伸之 焊道。 〇 構成圖五及圖六所示之螺旋狀變形元件 3之輪靡，如圖示可 具一圓環狀截面幾何。亦可使用其他截面造型，如圖九中所示者， 例如擴圓形、六角形或正方形截面造型。構成螺旋狀變形元件3 之輪廊最好由一金屬材料製成，然而其他材料如塑膠亦適用。 圖七與圖八顯示—根據本發明之能量消耗元件1之第四實施 例。第四實施例基本相當於之前圖五與圖六所示之第三實施例， 但是除螺旋狀變形元件3外，额外設有一由輪廓構成之螺旋狀追 ^ 加-變形元件6，其縱軸與螺旋狀變形元件之縱軸L’重合。由圖八 特別可看出，螺旋狀追加_變形元件6之園匝可設於螺旋狀變形元 件3之圍匝7.1至7.n間形成之一螺旋狀槽内。其中螺旋狀追加-變形元件6於至少一個位置點上與螺旋狀變形元件3以材料嵌合 方式連接或黏接。顯然可想而知，螺旋狀追加_變形元件6亦可經 由夾緊，被保持於螺旋狀變形元件3上。 以下將根據圖十a與圖十b詳細說明本發明之能量消耗元件1 之作用方式。雖然於圖十a與圖十b中顯示之能量消耗元件1具 —造型為空心體之變形元件’其空心體由數個圓環狀變形元件3.i 至3.n構成，然而其類比意義對使用螺旋狀或蝸線狀之變形元件構 13 201034883 成能量消耗元件之其他實施例亦成立。 圖十 顯示-能量消耗元件！，如同之前針對圖 圖…縱截面_處=
可看出，依據本發明前述制構建之能量消耗元件i 卜超過預設臨界值之啟動力量時，經由空心輪廓截面沿圓 衣轴 <雜變形’將衝擊能轉變成變形能與熱能。於能量消耗 時’圓環狀構造並不被機，藉由如此，能量、;肖耗元件丨即使於 變形狀態’於縱向與橫向亦具—結構強度。這使得能量消耗元件'ι 不僅於軸向，且亦於徑向，可與其他構件保持結構連接。
特別由圖十b可看出，賴量消耗元件丨啟動時，由空心輪 靡構成之變形元件之圓環狀變形元件31至3 n於能量消耗元件i 啟動時，沿能量消耗元件丨之縱向丨收縮。該現象對不使用一或 ^圓環狀變料件’而是使用單—螺旋狀或蜗線狀變形元件之 能1消耗7C件1亦成立。於一螺旋狀或蝸線狀構造上，能量消耗 儿件啟動時，空心輪廓截面沿螺旋軸或沿能量消耗元件之縱軸發 生連續變形’其中此變形以—近乎相同之變形力水準朝螺旋縱轴 或蝸線縱軸進行。於一能量消耗元件之圓環狀結構上，於能量消 耗元件1啟動時’各個圓環狀變形元件3 i至3 η之空心輪靡截面 沿螺旋軸或沿能量消耗元件之縱軸發生順序變形，因而只會出現 輕微之變形力波動。 不論替變形元件3或3.1選擇一螺旋狀或蝸線狀構造，或是選 擇一圓環狀構造，變形元件於各變形狀態皆具一自我穩定之特 性。帶輪廓之造型使得能量消耗元件於最大變形時之阻礙長度， 與於未變形狀態時之初始長度之比率很小。 本發明並不受限於於圖式中所示之能量消耗元件1之實施 14 201034883 例。特別可想*知，設計成空心體之能量消航件丨之外表面及/ 或内表面可被剛性強化或焊接，使其於能量消耗元件 1之縱向及 橫向得到較高之靜祕_強度。較得_力水準提高，於相 同輪廓截面下及於相同㈣厚度下，有職提高所吸收之能量， 这係由於儘管有烊道，可消耗之最大變形路徑只有微幅降低。 另外可想而知’ &量>肖耗元件丨設計成空心、體造型其截面 沿縱軸改變。然而要留意，此設計賴雜輪賴何於能量消耗 元件之縱向變形。截面改變之例可為二或多個交互排列之截面， 〇或於-能量消耗元件之縱向延伸方向做截面擴張或減縮，使得產 生一例如錐形或鈍金字塔型’作為能量消耗元件之基本形。此外 可以想見，圓環狀變形元件之難直#，及螺旋狀或蜗線狀變形 元件之園匝直徑，沿能量消耗元件之長度改變。 圖九中顯示可作為輪廓截面之舉例。依圖所示，可使用具例 如圓環狀、方形、六角形或橄欖形截面之封閉空心輪廓。雖然圖 中並未明白繪出，但亦可使用具例如L字形、U字形、雙T字形 或Z字形截面造型之開放式截面造型作為輪廓。 如前所指出，本發明之能量消耗元件適於作為防撞保險，該 防撞保險具一基板及一力量傳遞元件，能量消耗元件裝設於基板 與力量傳遞元件之間。於該類防撞保險之一較佳實施例中，能量 消耗元件以無間隙方式安裝於基板與力量傳遞元件之間。 能量消耗元件可於軸向及徑向與其他構件做結構性連接，這 係由於能量消耗元件即使於變形狀態，於縱向及橫向仍具結構強 度’其強度甚至可高於於未變形之初始狀態。與例如内部或外部 直接鄰接之物體連接’該物體具一與能量消耗元件對應相同之管 狀截面，會得到有利效果，即於變形過程中一額外之滑動磨擦支 撐產生一穩定之變形力趨勢。 15 201034883 一使用根據本發明之能量消耗元件之防撞保險適於安裝於一 在軌行駛之車輛，特別是軌道車輛之前端面作為侧邊缓衝器，或 用於一鐵軌末端緩衝器。顯然其他應用，例如車輛及靜態應用， 亦可想而知。 【主要元件符號說明】 1 能量消耗元件 2 殼壁 3 螺旋狀變形元件 3.1-3.Π 圓環狀變形元件 4 力量傳遞元件 5 基板 6 追加-變形元件 7.1-7.Π 圍匝 L 縱軸 L， 旋轉軸