DE10015294C2 - Reversibles Deformationselement - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Stoßenergieabsorp
tion bei Kraftfahrzeugen nach der im Patentanspruch 1 näher
definierten Art.
Zur Einhaltung von bestimmten Mindestsicherheitsstandards bei
der Fahrzeugsicherheit sind zahlreiche Normen, Vorschriften,
Prüfungen und Empfehlungen, unter anderem auch aus der Versi
cherungsbranche, bekannt, die die Hersteller von Kraftfahrzeu
gen einhalten und nachweisen müssen. Diese Mindestsicherheits
standards sollen die Sicherheit der Personen im Kraftfahrzeug
erhöhen, das Unfallrisiko vermindern, sowie die Unfallfolgen
gegenüber anderen Verkehrsteilnehmern reduzieren oder vermei
den.
Dabei zählen zur passiven Sicherheit Maßnahmen, die insbeson
dere die Unfallfolgen so gering wie möglich halten sollen.
Beispielsweise weisen heutzutage Kraftfahrzeuge Stoßfänger und
Deformationselemente auf, die bei einem Aufprall mit geringer
Geschwindigkeit von z. B. bis zu 15 km/h über eine Stoßenergie
aufnahme verformt werden, ohne daß dies Folgen für die Struk
tur der Karosserie oder eine Beschädigung anderer Fahrzeugbau
teile, wie z. B. der Beleuchtung zur Folge hat. Diese Maßnahmen
dienen einer Erhöhung der passiven Sicherheit und als Folge
einer Reduzierung von Reparaturkosten bei Unfällen.
Deformationselemente sind Teile, die sich bei einem Aufprall
in der Regel zuerst verformen. Sie sind sozusagen das erste
Glied einer gezielten Verformung. Der Betrag der absorbierba
ren Energie hängt dabei von dem zur Verfügung stehenden Deformationsweg
und der gesamten Widerstandskraft der Stoßaufnahme
vorrichtung bzw. des Deformationselements ab. Das Kraftniveau
der Widerstandselemente einer solchen Deformationsvorrichtung
muß dabei so niedrig gewählt werden, daß eine Stauchung der sie
tragenden Fahrzeugbauteile bei einer Deformation ausgeschlossen
ist.
Aus der Praxis sind hierzu sogenannte Crash-Boxen bekannt, die
ein im wesentlichen quaderförmiges Kastenprofil aus Blech dar
stellen, das bei Einleitung einer Stoßenergie in deren Längs
richtung meist unkontrolliert deformiert wird und ab einem be
stimmten Deformationsweg einen festen Block bildet. Es versteht
sich von selbst, daß bei einem Unfall mit erhöhter Geschwindig
keit, eine solche Crash-Box zerstört wird. Um jedoch die Repa
raturkosten bei einem "Bagatell"-Unfall mit geringer Aufprall
geschwindigkeit niedrig zu halten, müssen derartige Crash-Boxen
so ausgestaltet sein, daß diese bei noch nicht vollständig ab
gebauter Bewegungsenergie entgegen der Kernstruktur der Karos
serie verschoben werden, ohne diese zu beschädigen.
Hierzu sind beispielsweise Deformationselemente in der Form un
terschiedlicher ausfahrbarer Prallelemente bekannt, die meist
durch eine Sensorik, welche ein Hindernis rechtzeitig vor dem
Aufprall erkennt, derart angesteuert werden, daß sie unmittel
bar vor einem Aufprall des Kraftfahrzeuges ausfahren. Eine der
artige Stoßaufnahmevorrichtung für ein Kraftfahrzeug mit einem
die Stoßenergie absorbierenden Bauteil in der Form eines an den
Fahrzeuglängsträger angeordneten Zylinders, der mit Druckgas
betrieben werden kann, ist beispielsweise aus der DE 196 54 559 A1
bekannt.
Dieses reversibel arbeitende Deformationselement erfordert je
doch eine zum Teil erhebliche Baulänge und ist in seiner kon
struktiven Ausgestaltung verhältnismäßig aufwendig.
Eine weitere Deformationsvorrichtung zur Stoßenergieaufnahme,
die bei geringen Aufprallgeschwindigkeiten wieder in ihre Aus
gangslage zurückgeführt werden kann, ist beispielsweise aus der
DE 39 13 224 A1 bekannt. Diese Druckschrift offenbart einen
Pralldämpfer mit ineinander teleskopförmig verschiebbaren Rohr
buchsen, wobei zwischen den Rohrbuchsen zwei elastomere Feder
elemente angeordnet sind, die infolge ihrer konkreten Aus
gestaltung einen doppelten Federweg ermöglichen. Dieser Prall
dämpfer zeichnet sich jedoch auch durch eine verhältnismäßig
große Baulänge aus.
Ein weiterer Schockabsorber in der Form eines Stoßdämpfers ist
aus der EP 0 417 532 B1 bekannt, bei dem ein Kolben bei Auftre
ten einer Stoßeinwirkung in einer sogenannten Absorberhülse aus
einem elastischen Material verschoben werden kann. Dieser Kol
ben ist innerhalb der Absorberhülse in beiden Richtungen funk
tionsfähig, jedoch vermag die Absorberhülse aus dem elastischen
Kunststoff nicht von sich aus den Kolben in seine ursprüngliche
Ausgangslage zurückzuführen.
Weiterhin ist aus der DE 24 03 613 A eine Vorrichtung zur
Stoßenergieabsorption bei Kraftfahrzeugen mit einer Rohrbuchse
und mit in der Rohrbuchse verschiebbaren Anschlußelementen be
kannt, die zwischen wenigstens einem Karosseriebauteil und ei
ner Trägerstruktur des Kraftfahrzeugs angeordnet sind. In der
bekannten Vorrichtung sind radial anordnete Federn vorgesehen,
die durch die sich bei Stoßeinwirkung axial verschiebenden
Anschlußelemente Energie aufnehmen und dabei radial nach innen
gerichtete Gegenkräfte entwickeln, die nach Stoßeinwirkung die
verschobenen Anschlußelemente in ihre Ausgangslage zurückfüh
ren.
Die DE 22 62 879 A offenbart ebenfalls eine Stoßenergieab
sorptionsvorrichtung mit einer Rohrbuchse und darin axial ver
schiebbaren Anschlußelementen, die zwischen wenigstens einem
Karosseriebauteil und einer Trägerstruktur des Kraftfahrzeugs
angeordnet sind. Bei dieser Vorrichtung sind Reibkörper vorge
sehen, die durch die sich bei Stoßeinwirkung axial versiebenden
Anschlußelemente Energie aufnehmen und dabei radial nach innen
gerichtete Gegenkräfte entwickeln.
Das gleiche Prinzip ist aus der DE 410 339 C bekannt, bei der
die nach innen gerichteten Gegenkräfte durch gegeneinander ge
richtete Blattfedern aufgebracht werden.
Aus keiner der drei letztgenannten Entgegenhaltungen ist aber
zu entnehmen oder nahegelegt, daß die Rohrbuchse und die Man
schette dehnbar sind und die Manschette aufgrund ihrer super
elastischen Eigenschaften das Bauteil ist, das die Gegenkräfte
auf die Rohrbuchse ausübt und sie auf ihren Ausgangsdurchmesser
zurückführt.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung
zur Stoßenergieabsorption bei Kraftfahrzeugen zu schaffen, die
bei geringen Aufprallgeschwindigkeiten nach erfolgter Stoßein
wirkung reversibel ist und sich durch eine verhältnismäßig ein
fache konstruktive Ausgestaltung auszeichnet.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Vorrichtung gemäß
den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Stoßenergieabsorption
zeichnet sich dadurch aus, daß die reversible Deformation quer
zu den einwirkenden Stoßkräften erfolgt, indem sich die außen
liegende Manschette aus einem superelastischen Material bei
Stoßeinwirkung radial aufweitet. Bedingt durch die Eigenschaf
ten des superelastischen Materials werden aufgrund der radialen
Aufweitung radial nach innen wirkende, also der Aufweitung ent
gegengerichtete Kräfte induziert.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der
Erfindung handelt es sich bei diesem superelastischen Material
um Formgedächtnislegierungen. Derartige Legierungen zeichnen
sich durch drei besondere Effekte aus: den Formgedächtsnisef
fekt, die Superelastizität und das hohe Dämpfungsvermögen. Ge
mäß der Erfindung soll die jeweilige Formgedächtnislegierung
derart ausgewählt sein, daß sie bei Betriebstemperatur der
Vorrichtung im austenitischen Gefügezustand vorliegt. In die
sen Zustand kommt der superelastische Bereich dieses Legie
rungstyps bzw. dieses Gefügezustandes zum Tragen, der mit ei
ner sehr starken Hysterese einhergeht. Darüber hinaus läßt
sich in diesem Bereich eine hohe Dämpfungswirkung auch bei ho
her mechanischer Beanspruchung des Dämpfungskörpers erzielen.
Die reversible Dehnungsfähigkeit liegt hierbei in einer Grö
ßenordnung von bis zu 10%.
Als Material für die Manschette sind gemäß der Erfindung auch
Hybridstrukturen bzw. Verbundwerkstoffe mit einer Komponente
oder Schichten aus Formgedächtnislegierungen denkbar.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfin
dung ergeben sich aus den Patentansprüchen und dem anhand der
Zeichnung prinzipmäßig beschriebenen Ausführungsbeispiel.
Es zeigt:
Fig. 1 eine schematische Querschnittsdarstellung einer erfin
dungsgemäßen Vorrichtung zur Stoßenergieabsorption in
zwei unterschiedlichen Betriebszuständen; und
Fig. 2 ein typisches Spannungs-Dehnungsdiagramm einer Formge
dächtnislegierung.
Bezug nehmend auf Fig. 1 ist eine Vorrichtung 1 zur Stoßener
gieabsorption dargestellt. Die Vorrichtung 1 weist eine Rohr
buchse 2 auf, die in der Regel aus Stahl besteht. Die Rohrbuchse
2 ist in Längsrichtung durchgehend geteilt, so daß eine
Durchmessererweiterung möglich ist.
In der Rohrbuchse 2 sind zwei Anschlußelemente angeordnet, die
in dieser verschiebbar sind. Dabei ist ein Anschlußelement 3
beispielsweise an der Trägerstruktur des Kraftfahrzeugs befe
stigt, während das andere Anschlußelement 4 mit der Stoßstange
in Verbindung steht.
Auf der Mantelfläche der Rohrbuchse 2 ist umfänglich eine Man
schette 5 vorgesehen, die aus einer Formgedächtnislegierung
besteht. Die Manschette 5 umschließt die Rohrbuchse 2 dabei
vollständig.
Die endseitigen Innenflächen 6 der Rohrbuchse 2, ebenso wie
die Mantelflächen 7 der Anschlußelemente 3 und 4 sind vorzugs
weise konisch und komplementär zueinander ausgebildet.
Es wird deutlich, daß durch die Einleitung einer aufprallbe
dingten Stoßkraft F die beiden Anschlußelemente 3 und 4 gegen
einander bewegt und dadurch innerhalb der Rohrbuchse 2 ver
schoben werden. Infolge der komplementären konischen Ausge
staltung der anliegenden Flächen 6 und 7 wird eine Relativbe
wegung quer zur Einleitrichtung der Stoßkraft F induziert, die
zu einer radialen Aufweitung der Rohrbuchse 2 führt.
Diese Durchmessererweiterung wird von der an der Rohrbuchse 2
außenseitig anliegenden Manschette 5 aus der Formgedächtnisle
gierung ebenfalls mit durchgeführt. Infolge der Dehnung dieser
Manschette 5 werden dann bedingt durch die superelastischen
Materialeigenschaften der Formgedächtnislegierung radial nach
innen wirkende Gegenkräfte G unter Ausbildung eines entspre
chenden Kräftegleichgewichts induziert.
Die von der außen aufgesetzten Manschette 5 dabei aufgenommene
Energie wird genutzt, wenn die Belastung vorüber ist. Hierbei
bewirken die Gegenkräfte G eine entsprechende Verkleinerung
auf den ursprünglichen Durchmesser sowohl der Manschette 5 als
auch der Rohrbuchse 2, sobald die Stoßenergiekräfte F nach dem
Aufprall schlagartig nachlassen. Durch diese reversible
"Schrumpfung" werden die Anschlußelemente 3 und 4 wieder in
ihre Ausgangsposition auseinander "gedrückt", wobei sie auf
den konischen Berührungsflächen abgleiten.
In der oberen Ansicht der Fig. 1 ist die Vorrichtung 1 zur
Stoßenergieabsorption schematisch in ihrem Einbauzustand wie
dergegeben, während die untere Ansicht dieser Fig. 1 die Vor
richtung 1 im radial gedehnten Zustand bei Einwirkung einer
Stoßkraft F schematisch darstellt.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung 1 gemäß
der vorliegenden Erfindung kann zwischen den Anschlußelementen
3 und 4 innerhalb des verbleibenden Freiraums der Rohrbuchse 2
eine Druckfeder, die in der Fig. 1 nicht dargestellt ist, an
geordnet sein, die das Auseinanderschieben der Anschlußelemen
te 3 und 4 in ihre Ausgangsposition unterstützt.
In der Fig. 2 ist ein Spannungs-Dehnungsdiagramm einer typi
schen Formgedächtnislegierung wiedergegeben. Der bei dem Ge
genstand der Erfindung für die Reversibilität der Vorrichtung
1 relevante Einsatzbereich, in dem das Verhalten einer Supere
lastizität in Erscheinung tritt, erstreckt sich über eine Deh
nungsbreite von bis zu 10%. Dieses Diagramm gibt das Verhalten
bei der relevanten Einsatztemperatur der Formgedächtnislegie
rung für eine Manschette 5 wieder.
Wird nach starker Zugbeanspruchung die Formgedächtnislegierung
wieder entlastet, geht das Material wieder in den spannungs
freien Zustand über. Man erkennt, daß im Bereich niedriger
Dehnungen die Spannungs-Dehnungs-Kurve weitgehend einer
Hook'schen Geraden 8 gleicht, d. h. die Spannung steigt propor
tional zur Dehnung linear an. Ab einem bestimmten Punkt 9, der
sogenannten Proportionalitätsgrenze, erfolgt bei zunehmender
Dehnung ein deutliches Abweichen des Spannungsverlaufs von der
Hook'schen Geraden 8. Die Spannungs-Dehnungs-Kurve nimmt einen
deutlich flacheren Verlauf 10 an. Dies ist charakteristisch
für Formgedächtnislegierungen in einem austenitischen Zustand,
in welchem sich das Material bei relativ geringer Spannungszu
nahme erheblich zu dehnen vermag.
Die Besonderheit einer derartigen Formgedächtnislegierung
liegt nun darin, daß auch diese starken Dehnungen im nicht li
nearen Bereich reversibel sind. Erst bei Dehnungen über 8 bis
10% ist eine nicht reversible plastische Verformung erkennbar.
Diese ist allerdings durch Erwärmung rückführbar, wobei der
sogenannte Gedächtniseffekt zum Tragen kommt.
Ein Einsatz der Vorrichtung 1 gemäß der vorliegenden Erfindung
in einem Bereich, bei dem die plastische Verformung bereits
zum Tragen käme, ist erfindungsgemäß nicht angestrebt. Bei
Aufprallgeschwindigkeiten oberhalb von ca. 15 km/h ließen sich
diese nicht vermeiden, jedoch wären die dadurch zustande kom
menden geringfügigen plastischen Verformungen unter Ausnutzung
des Gedächtniseffekts der Formgedächtnislegierungen unter Er
wärmungen jederzeit zurückführbar. Dies bedeutet, daß eine
Crash-Box in der Art der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 durch
Erwärmung repariert werden kann, was zu erheblichen Einsparun
gen der Reparaturkosten führt.
Selbstverständlich läßt sich die Vorrichtung 1 gemäß der Er
findung im Front- und Heckbereich des Kraftfahrzeugs anordnen,
jedoch sind auch durch die geringe Bauraumgröße Einsatzgebiete
als Flankenschutz denkbar.
Claims (3)
1. Vorrichtung (1) zur Stoßenergieabsorption bei Kraftfahrzeu
gen mit einer in Axialrichtung durchgehend geteilten Rohr
buchse (2), mit in der Rohrbuchse (2) in Stoßenergierich
tung axial verschiebbaren Anschlußelementen (3, 4), die zwi
schen wenigstens einem Karosseriebauteil und einer Träger
struktur des Kraftfahrzeugs angeordnet sind, und mit einer
Manschette (5), die auf der Mantelfläche der Rohrbuchse (2)
umfänglich anliegt, wobei die Rohrbuchse (2) und die Man
schette (5) durch die sich bei Stoßeinwirkung axial ver
schiebenden Anschlußelemente (3, 4) radial dehnbar sind und
die Manschette (5) aus einem solchen superelastischen Ma
terial besteht, daß diese unter Dehnung radial nach innen
gerichtete Gegenkräfte (G) ausübt, die nach Stoßeinwirkung
die Rohrbuchse (2) auf ihren Ausgangsdurchmesser und da
durch die verschobenen Anschlußelemente (3, 4) in ihre Aus
gangslage zurückführen, sobald die durch die Stoßeinwirkung
auftretenden Axialkräfte (F) kleiner als die radial nach
innen wirkenden Gegenkräfte (G) der Manschette (5) sind.
2. Vorrichtung nach dem Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die endseitigen Innenflächen (6) der Rohrbuchse und die
Mantelflächen (7) der Anschlußelemente (3, 4) komplementär
konisch und aufeinander gleitfähig ausgebildet sind.
3. Vorrichtung nach dem Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen den Anschlußelementen (3, 4) eine Druckfeder an
geordnet ist.
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