DE10043140A1 - Vorrichtung zur Absorption von Stoßenergie - Google Patents

Abstract

Bei einer Vorrichtung zur Absorption von Stoßenergie durch bleibende Verformung und/oder Zerstörung von Deformationselementen (2, 3, 4, 5), weisen ein Deformationselement (2) eine sich in Richtung der Stoßkraft verjüngende Öffnung auf, in die ein sich in die gleiche Richtung verjüngender Druckkörper (1) eingreift, der unter der Wirkung der Stoßkraft mit seinem verjüngten Ende voran gegen den Verformungswiderstand des Deformationselements in dessen Öffnung hinein bewegbar ist. An das eine Deformationselement (2) schließen sich mehrere, in Reihe hintereinander angeordnete Deformationselemente (3, 4, 5) mit jeweils einer sich in Richtung der Stoßkraft verjüngenden Öffnung und einer sich in der gleichen Richtung verjüngenden Mantelfläche an, wobei das verjüngte Ende eines Deformationselements in die sich in der gleichen Richtung verjüngende Öffnung des folgenden Deformationselements eingreift. Die Deformationselemente (2, 3, 4, 5) sind unter der Wirkung einer Stoßkraft bei gleichzeitiger Überwindung ihres Verformungswiderstands ineinander bewegbar.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Absorption von Stoßenergie durch bleibende Verformung und/oder Zerstörung eines Deformationselements.

Vorrichtungen der angegebenen Art werden vor allem im Kraftfahrzeugen verwendet, um im Falle eines Aufpralls eines Kraftfahrzeugs auf ein Hindernis einen Teil der Stoß­ energie zu absorbieren und die auf das Fahrzeug einwirken­ den Stoßkräfte klein zu halten.

Aus DE 196 27 061 A1 ist ein Deformationselement bekannt, das einen aus Kohlestoffasern und Aramidfasern bestehenden Rohrabschnitt umfaßt, welcher zur Energieumwandlung nach dem Stülpprinzip verformbar ist. Zur Einleitung des Um­ stülpvorgangs schließt sich an das freie Rohrende ein Bau­ teil mit einer konkaven, den äußeren Stülpradius bestim­ menden Hohlkehle an. Der Rand des Rohrabschnitts ist in Richtung zur Hohlkehle hin abgeschrägt, wodurch die anfäng­ liche Umfangskraft beim Verformen des Rohrabschnitts redu­ ziert wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, welche sich durch ein geringes Gewicht, eine einfache Herstellbarkeit und eine gute Mate­ rialausnutzung auszeichnet und welche eine günstige Kraft- Wege-Kennlinie ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung gelöst, bei welcher das Deformationselement eine sich in Richtung der Stoßkraft verjüngende Öffnung aufweist, in die ein sich in die gleiche Richtung verjüngender Druckkörper eingreift, der unter der Wirkung der Stoßkraft mit seinem verjüngten Ende voran gegen den Verformungswiderstand des Deformationselements in dessen Öffnung hinein bewegbar ist.

Vorzugsweise weist die erfindungsgemäße Vorrichtung meh­ rere, in Reihe hintereinander angeordnete Deformationsele­ mente mit jeweils einer sich in Richtung der Stoßkraft ver­ jüngenden Öffnung und einer sich in der gleichen Richtung verjüngenden Mantelfläche auf, wobei das verjüngte Ende eines Deformationselements in die sich in der gleichen Richtung verjüngende Öffnung des folgenden Deformationsele­ ments eingreift und die Deformationselemente unter der Wir­ kung der Stoßkraft bei gleichzeitiger Überwindung ihres Verformungswiderstands ineinander bewegbar sind.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann das Kraftniveau und der Kraft-Weg-Verlauf bei der Aufnahme eines Stoßes durch die Formgestalt, Größe, Festigkeit und Anzahl der Deformationselemente sowie durch das zu ihrer Herstellung verwendete Material beeinflußt werden. Der Konstrukteur hat daher viele Möglichkeiten, um die erfindungsgemäße Vorrich­ tung an die Erfordernisse des jeweiligen Anwendungsfalls anzupassen, und es ist ihm dadurch möglich, ein breites Feld unterschiedlicher Anwendungen mit der erfindungsgemä­ ßen Vorrichtung zu bedienen. Hinsichtlich der Formgestalt der Deformationselemente kann insbesondere durch die Wahl des Neigungswinkels der Öffnungen und der Mantelflächen der Deformationselemente die Energieabsorption in starkem Maße beeinflußt werden. Die Neigungswinkel der Öffnungen und der Mantelflächen können konstant sein oder auch in Längsrich­ tung gesehen zunehmen oder abnehmen, um auf diese Weise die Kraft-Weg-Kennlinie im Sinne eines linearen, progressiven oder degressiven Verlaufs zu beeinflussen. Die Mantelflä­ chen und die Bohrungsflächen der Deformationselemente und die Mantelfläche des Druckelements werden vorzugsweise rotationssymmetrisch ausgeführt. Sie können aber auch abweichend davon gestaltet sein und beispielsweise einen elliptischen oder vieleckigen Querschnitt haben.

Zur Herstellung der Deformationselemente werden vorzugs­ weise Faserverbundstoffe verwendet, es kommen hierfür aber daneben auch Metalle und Metallegierungen sowie für ein­ zelne Teile der Vorrichtung, z. B. das Druckelement, Metall­ schäume in Betracht.

Nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung können mehrere in Reihe hintereinander angeordnete und ineinander grei­ fende Deformationselemente innen und/oder außen von einem Hüllkörper umgeben sein. Der Hüllkörper kann geschlossen oder als Käfig ausgebildet sein. Vorzugsweise besteht der Hüllkörper aus einem elastomeren Material. Anstelle eines Hüllkörpers kann der Raum innerhalb der Öffnungen der Deformationselemente auch mit einem kompressiblen Füllmate­ rial, beispielsweise einem Schaumstoff, ausgefüllt sein.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich einerseits zur Herstellung von Stoßdämpfern, Pralldämpfern oder Crash-Ele­ menten, die in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden, und ande­ rerseits zur Herstellung stoßabsorbierender Verformungszo­ nen von Fahrzeugen, die vor oder hinter einer als formsta­ biler Raum ausgelegten Fahrgastzelle angeordnet sind.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden die hinterein­ ander geschalteten Deformationselemente gleichzeitig wirk­ sam, wobei sich Unterschiede im Energieabsorptionsverhalten der einzelnen Elemente nivellieren und steile Änderungen des Kraftverlaufs vermieden werden. Weiterhin ermöglicht die erfindungsgemäße Vorrichtung eine vor allem für Ein­ zelanwendungen vorteilhafte Modulbauweise, indem je nach Anforderung vorgefertigte Deformationselemente in geeigne­ ter Zahl und Größe miteinander verbunden werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbei­ spielen näher erläutert, die in der Zeichnung dargestellt sind. Es zeigen

Fig. 1 eine für den Einbau in die Nase eines Rennsport­ fahrzeugs bestimmte Vorrichtung gemäß der Erfin­ dung,

Fig. 2 eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit degressiver Kraft-Weg-Kennlinie und

Fig. 3 eine erfindungsgemäß Vorrichtung mit progressiver Kraft-Weg-Kennlinie.

Die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung besteht aus einem Druckelement 1 und vier Deformationselementen 2, 3, 4, 5, die in Reihe hintereinander angeordnet sind. Das Druckele­ ment 1 hat die Form eines Kreiskegelstumpfs mit erhaben gewölbter Bodenfläche 6, einer Mantelfläche 7 und einer ebenen Kopffläche 8. Die Deformationselemente 2 bis 5 sind als kegelstumpfartige Ringe ausgebildet, die kegelige Man­ telflächen 21, 31, 41, 51 und zu diesen aequidistante kege­ lige Bohrungsflächen 22, 32, 42, 52 haben. An den Stirnsei­ ten weisen die Deformationselemente 2 bis 5 stumpfe Kegel­ ringflächen auf. Die axiale Länge der Deformationselemente 2 bis 5 ist im wesentlichen gleich. Ihr mittlerer Durchmes­ ser nimmt jedoch mit der Entfernung vom Druckelement 1 zu. Das Druckelement 1 und die Deformationselemente 2 bis 5 sind in gleichsinniger Ausrichtung axial hintereinander derart angeordnet, daß jeweils das zur Kegelspitze weisende Ende des einen Elements in das von der Kegelspitze weg wei­ sende Ende des folgenden Elements hineinragt und mit einem Abschnitt seiner Mantelfläche 7, 21, 31, 41 an der Boh­ rungsfläche 22, 32, 42, 52 des jeweils folgenden Deforma­ tionselements anliegt. Die Elemente 1 bis 5 können entweder durch Reibkontakt miteinander verbunden sein, sie können aber auch miteinander verklebt sein, um zu erreichen, daß erst bei einer durch den Scherwiderstand der Klebeverbin­ dung gegebenen Anfangskraft die Elemente 1 bis 5 relativ zueinander bewegbar sind. Zur Bildung einer glatten Augen­ kontur sind die Elemente 1 bis 5 von einem Hüllkörper 9 umgeben, der die Elemente 1 bis 5 ebenfalls in ihrer inein­ andergreifenden Anordnung hält, jedoch zur Energieabsorp­ tion nicht nennenswert beiträgt. Auf ihrer freiliegenden Innenseite sind die Deformationselemente 2 bis 5 von einem hohlen Hüllkörper 10 abgedeckt.

Die beschriebene Vorrichtung ist für eine Anordnung im Frontbereich eines Rennsportfahrzeugs bestimmt und wird bei dieser Anwendung mit ihrer Längsachse in Fahrzeuglängsrich­ tung ausgerichtet, wobei das Druckelement 1 vorzugsweise in Fahrtrichtung vorne angeordnet wird. Fährt das Fahrzeug gegen ein Hindernis, so wird die dabei auftretende Stoß­ kraft von dem Druckelement 1 aufgenommen und über die Deformationselemente 2 bis 5 auf die formsteife Fahrerzelle übertragen. Durch diese Belastung werden die Elemente 1 bis 5 ineinander geschoben, wobei die Deformationselemente 2 bis 5 einer Zugbeanspruchung ausgesetzt sind und dadurch gedehnt und gegebenenfalls in ihrer Struktur zerstört wer­ den. Bei diesem Vorgang wird die Stoßkraft auf einen im wesentlichen gleichbleibenden Maximalwert begrenzt, der so bemessen ist, daß die Fahrerzelle nicht zerstört wird. Die in Fig. 2 gezeigte Vorrichtung besteht wie die Vor­ richtung gemäß Fig. 1 aus einem Druckelement 1 und vier Deformationselementen 2 bis 5, die teilweise ineinander greifen. Im Unterschied zur Vorrichtung gemäß Fig. 1 sind hierbei jedoch zur Erzielung einer degressiven Kraft-Weg- Kennlinie die Mantelflächen 7, 21, 31, 41, 51 nach außen derart gewölbt, daß ihre Neigung zur Längsachse 11 in Rich­ tung des Druckelements 1 abnimmt. Hierdurch wird erreicht, daß bei einem Ineinanderdrücken der Elemente 1 bis 5 durch eine axiale Stoßbelastung mit zunehmendem Verformungsweg der Verformungswiderstand und damit die übertragbare Stoß­ kraft abnimmt.

Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei welchem die Man­ telflächen 7, 21, 31, 41, 51 der Elemente 1 bis 5 nach innen gewölbt sind, ihr Neigungswinkel zur Längsachse 11 also in Richtung auf das Druckelement 1 zunimmt. Die mit den Mantelflächen zusammenwirkenden Bohrungsflächen 22, 32, 42, 52 sind entsprechend nach außen gewölbt. Diese Ausge­ staltung führt zu einem Anstieg des Verformungswiderstands und damit der übertragbaren Stoßkraft mit zunehmendem Ver­ formungsweg.

Claims (7)

1. Vorrichtung zur Absorption von Stoßenergie durch blei­ bende Verformung und/oder Zerstörung eines Deforma­ tionselements, wobei das Deformationselement eine sich in Richtung der Stoßkraft verjüngende Öffnung aufweist, in die ein sich in die gleiche Richtung verjüngender Druckkörper eingreift, der unter der Wirkung der Stoß­ kraft mit seinem verjüngten Ende voran gegen den Ver­ formungswiderstand des Deformationselements in dessen Öffnung hinein bewegbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch meh­ rere, in Reihe hintereinander angeordnete Deformations­ elemente mit jeweils einer sich in Richtung der Stoß­ kraft verjüngenden Öffnung und einer sich in der glei­ chen Richtung verjüngenden Mantelfläche, wobei das ver­ jüngte Ende eines Deformationselements in die sich in der gleichen Richtung verjüngende Öffnung des folgenden Deformationselements eingreift und die Deformationsele­ mente unter der Wirkung der Stoßkraft bei gleichzeiti­ ger Überwindung ihres Verformungswiderstands ineinander bewegbar sind.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mantelflächen und die Bohrungs­ flächen der Öffnungen Kegelstumpfflächen sind.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Neigungswinkel der Man­ telflächen und der Bohrungsflächen gleich sind.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Neigung der Mantelflä­ chen und/oder der Bohrungsflächen in Richtung der Längsachse zunimmt oder abnimmt.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere in Reihe hinterein­ ander angeordnete, ineinander greifende Deformations­ elemente innen und/oder außen von einem Hüllkörper umgeben sind.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum innerhalb der der Deformationselemente mit einem kompressiblen Füllmate­ rial, beispielsweise einem Schaumstoff, ausgefüllt ist.