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Die Erfindung betrifft eine Pendeleinrichtung und
ein Verfahren zur Simulation eines Aufpralls.
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Aus dem Stand der Technik ist es
bekannt sogenannte Crash-Tests mittels einer Schlittenanlage durchzuführen. Hierzu
werden üblicherweise
eine Fahrzeug-Seitenstruktur mit entsprechenden Verkleidungsteilen
und ein Mess-Dummy benötigt.
Nachteilig bei einer solchen vorbekannten Testanlage sind die hohen
Kosten für
die Durchführung
von Crash-Tests.
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Aus der
DE 198 54 856 A1 ist eine
Seitenaufprall-Simulationsanlage bekannt, welche zum Simulieren
der Intrusionen und Beschleunigungen von Fahrzeug-Seitenstrukturen
sowie der Beschleunigungen des gesamten Fahrzeuges bei einem Seitenaufprall
dient. Zur Untersuchung der bei einem solchen Aufprall auf die Insassen
des Fahrzeuges wirkenden Kräfte
befinden sich in dem Fahrzeuginnenraum Testpuppen.
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Die
US
5 922 937 betrifft eine Pendeleinrichtung zur Simulation
eines Aufpralls, die im Wesentlichen aus einem schwenkbaren Pendel
und einem am freien Ende des Pendels befestigten Dummy besteht,
wobei der Dummy nach dem Erreichen einer bestimmten Geschwindigkeit
gegen ein Hindernis geschleudert werden kann. Bei dem Hindernis kann es
sich dabei um ein Bauteil des Kraftfahrzeugs. sein, dass durch den
Aufschlag eines am Dummy vorgesehenen Kopfes geprüft werden
soll. Am Dummykopf sind zu diesem Zwecke Sensoren angeordnet, um die
durch den Aufschlag am Hindernis entstehenden Beschleunigungen am
Dummykopf zu messen.
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Bei dieser Lösung ist weiterhin eine Bremsvorrichtung
für den
Pendel vorgesehen, die kurz vor dem Aufprall des Dummys gegen das
Hindernis die Bewegung des Pendels abbremst und dabei die Bewegungsenergie
des Pendels aufnimmt, so dass der Pendel zum Stehen kommt. Bevor
jedoch die Bremsvorrichtung in Kraft tritt, ist bei dieser Lösung vorgesehen,
dass die Verbindung des Dummys mit dem Pendel gelöst wird
und der Dummy infolge seiner durch die Drehbewegung des Pendels
gewonnenen Trägheitsenergie
mit einer bestimmten Geschwindigkeit gegen das Hindernis prallt.
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Damit soll ein Aufbau zur Verfügung gestellt werden,
bei dem der Dummy komplett losgelöst vom Pendel infolge seiner
durch die Drehbewegung des Pendels gewonnenen Trägheitsenergie zum Aufschlag
gegen das Hindernis gebrach werden kann und dabei sollen die insbesondere
am Dummykopf wirkenden Kräfte
und Beschleunigungen gemessen werden. Bedingt durch den zuvor beschriebenen
Aufbau und die Funktionsweise können
bei dieser Lösung
ohne zusätzlicher
Mittel keine weiteren Belastungen, Kräfte oder Momente am Dummy gemessen werden.
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Die
JP 08 240 509 A betrifft ebenfalls eine Pendeleinrichtung
zur Simulation eines Aufpralls, bei der jedoch die zu prüfenden Bauteile
des Kraftfahrzeuges unmittelbar am Pendel befestigt sind. Der Dummy
ist unbeweglich in einer Aufnahme positioniert und stellt somit das
Hindernis dar, gegen das die am Pendel befestigte Bauteile prallen
sollen.
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Schließlich betrifft die
DE 197 50 157 A1 eine Pendeleinrichtung
zur Simulation eines Aufpralls, bei der analog der Lösung nach
der
JP 08 240 509 A vorgesehen
ist, dass die zu prüfenden
Teile des Kraftfahrzeugs am Pendel befestigt sind. Der Unterschied zu
der Lösung
nach der
JP 08 240
509 A besteht lediglich darin, dass der Pendel und somit
auch das zu prüfende
Teil des Kraftfahrzeugs mit Hilfe eines zusätzlichen Antriebsaggregates
auf die für
den Aufprall notwendige Geschwindigkeit gebracht werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine
verbesserte Vorrichtung und ein verbessertes Verfahren zur Simulation
eines Aufpralls zu schaffen.
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Die der Erfindung zugrunde liegende
Aufgabe wird jeweils mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte
Ausführungsformen
sind in den abhängigen
Patentansprüchen angegeben.
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Die Erfindung erlaubt es, auf eine
aufwendige Schlittenanlage für
die Durchführung
eines Crash-Tests zu verzichten. Ferner ist nur der jeweils interessierende
Teil der zu untersuchenden Fahrzeugstruktur für die Simulation des Aufpralls
erforderlich. Dadurch können
in sehr bedeutsamem Umfang die Kosten sogenannter Crash-Tests verringert werden.
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Die Erfindung erlaubt die Simulation
des Aufprallverhaltens mit einer hohen Reproduzierbarkeit wegen
der geringen Anzahl der variablen Test-Parameter. Aufgrund dessen
kann eine genaue Aussage über
die Exemplarstreuung, beispielsweise eines Kopf-Airbags, getroffen
werden.
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Die erfindungsgemäße Pendeleinrichtung erlaubt
im Vergleich mit dem Stand der Technik ein schnelleres und flexibles
Aufbauen einer Simulationsanordnung und reduziert den Aufwand für das sogenannte „Einschießen" der Anlage. Damit
verbunden ist auch ein geringerer Materialaufwand für den Crash-Test.
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Insgesamt erlaubt die Erfindung eine
Beschleunigung des Entwicklungszyklus, insbesondere hinsichtlich
der Kopf-Airbag-Entwicklung.
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In einer bevorzugten Ausführungsform
ist der Kopf eines Dummys über
den Dummyhals mit dem Tragarm des Pendels verbunden. Im Kopf des Dummys
befindet sich ein dreiachsiger Beschleunigungsaufnehmer, auch Kopfsensor
genannt, um die während
des Aufpralls auf den Dummykopf wirkenden Beschleunigungen bzw.
Trägheitskräfte in der Einschwingrichtung
des Pendels, in der vertikalen Richtung und in einer senkrecht zu
diesen beiden Richtungen verlaufenden Richtung zu ermitteln. Dieser
Beschleunigungsaufnehmer ist nahe dem Kopfschwerpunkt positioniert.
Im Bereich des Tragarmes ist ein weiterer Beschleunigungsaufnehmer
angebracht, der die im Bereich des Dummyhalses auftretenden Beschleunigungen
bzw. Trägheitskräfte aufnehmen
kann, während
am Dummyhals ein Halsaufnehmer für
die am Dummyhals wirkenden und durch die Beschleunigungen des Kopfes
hervorgerufenen Kräfte
und Momente angeordnet ist.
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Zur Durchführung der Aufprall-Simulation wird
das Pendel um einen definierten Winkel ausgelenkt. Nach Auslösen des
Pendels beschleunigt dies auf eine durch die Auslenkung definierte
Geschwindigkeit, bevor der Dummykopf aufprallt. Beispielsweise kann
vor dem Aufprall des Dummykopfes ein Airbag ausgelöst werden.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform wird
der Dummykopf während
der Pendelbewegung von einem lösbaren
Halteelement relativ zu dem Pendel fixiert, um eine Verfälschung
der auf den Dummykopf wirkenden Kräfte durch die Pendelbewegung
zu unterbinden. Kurz vor dem Aufprall wird das Halteelement gelöst, so dass
der Dummykopf frei schwingen kann.
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Das Signal für die Lösung des Halteelements wird
zeitlich mit dem Signal für
die Auslösung
des Airbags so abgestimmt, dass unterschiedliche Crash-Fälle simuliert
werden können.
Beispielsweise kann das Halteelement unmittelbar vor oder nach der Auslösung des
Airbags gelöst
werden.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
ist in der zu untersuchenden Fahrzeugstruktur ein Dummy-Schulterimitat in
Schulterhöhe
angeordnet, um die Entfaltung des Airbags in Schulterrichtung zu
begrenzen.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
sind im unteren Bereich des zu untersuchenden Fahrzeug-Karossenteils Dämpf- und
Federelemente angeordnet. Das Dämpfelement
dient zur Simulation der bei einem realen Aufprall auftretenden Dämpfung,
und das Federelement dient zur Simulation der ebenfalls bei einem
realen Aufprall auftretenden Rückfederkräfte.
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Im Weiteren wird eine bevorzugte
Ausführungsform
der Erfindung anhand der Zeichnungen erläutert.
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Es zeigen
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1 eine
Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Pendeleinrichtung
mit einem zu untersuchenden Fahrzeug-Karossenteil,
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2 die
Pendeleinrichtung der 1 in
Ruhelage mit ausgelenktem Pendel,
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3 die
Pendeleinrichtung der 1,
bei der das Pendel mit der definierten Geschwindigkeit auf das Dämpfelement
auftrifft,
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4 die
Pendeleinrichtung der 1 mit aufgeblasenem
Seitenairbag,
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5 die
Pendeleinrichtung der 1,
bei der das Pendel einen maximalen Ausschlag hat und
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6 die
Pendeleinrichtung der 1 beim Rückfedern
des Pendels nach dem Aufprall.
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Die 1 zeigt
eine Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Pendeleinrichtung.
Zu der Pendeleinrichtung gehört
ein Pendelarm 1, der mit einem Lager 5 an einer
Deckenstruktur 6 schwenkbar angebracht ist. An dem Pendelarm 1 befindet
sich ein Tragarm 4 in etwa in einer Höhe, die der Schulterhöhe des Dummys
entspricht. Der Tragarm 4 bildet mit dem Pendelarm 1 einen
etwa rechten Winkel.
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Der Tragarm 4 dient zum
Halten von zumindest einem Teil eines Dummys - in dem gezeigten Beispiel
der 4 einem Dummykopf 2 und
einem Dummyhals 3. Der Dummyhals 3 ist über einen
Halsaufnehmer 8 und Gummistifte 7 an dem Tragarm 4 befestigt.
Anstelle von Gummistiften 7 kann auch eine Gummimatte verwendet
werden.
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An der aus dem Dummykopf 2 und
dem Dummyhals 3 bestehenden Anordnung ist ein Drahtseil 9 befestigt,
deren anderes Ende von einem an dem Pendelarm 1 befestigten
Hubmagneten 10 gehalten werden kann. Dadurch sind der Dummykopf 2 und
der Dummyhals 3 bei einer Bewegung des Pendelarms 1 relativ
zu dem Pendelarm 1 fixierbar.
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Ferner weist der Pendelarm 1 einen
Beschleunigungsaufnehmer 11 auf. Der Beschleunigungsaufnehmer 11 dient
zur Erfassung eines Wirbelsäulen-Beschleunigungssignals,
d.h. der Beschleunigung der die Wirbelsäule des Dummys ausgesetzt wäre. Hierzu
ist der Beschleuni gungsaufnehmer 11 in etwa in Schulterhöhe angeordnet.
Eine Anordnung des Beschleunigungsaufnehmers 11 an dem
Tragarm 4 ist ebenfalls möglich, ohne das Messergebnis
zu verändern.
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Ferner befindet sich an einem unteren
Bereich des Pendelarms 1 eine Aufnahme 12 für Zusatzgewichte 13.
Die Aufnahme 12 weist die Form eines Gewindezapfens auf,
an dem die Zusatzgewichte 13 geschraubt sind, und ist in
dem betrachteten Ausführungsbeispiel
in eine der Einschwingrichtung des Pendelarms 1 entgegengesetzte
Richtung ausgerichtet. Aus der Masse der pendelnden Teile und der
gewünschten
Aufprallgeschwindigkeit und dem gewünschten Aufprallimplus für die Simulation
des Aufpralls ergibt sich die erforderliche Auslenkung des Pendelarms 1 aus
der Vertikalen.
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Auf der der Aufnahme 12 gegenüberliegenden
Seite des Pendelarms 1 befindet sich eine Prallfläche 24.
Die Prallfläche 24 ist
in einem Endbereich des Pendelarms 1 angeordnet.
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An einer ortsfesten Grundstruktur 14 sind
ein Dämpfelement 15 und
ein Federelement 16 angeordnet. Sowohl das Dämpfelement 15 als
auch das Federelement 16 weisen entgegen der Einschwingrichtung
des Pendelarms 1 vor dem Aufprall. Bei einem Aufprall kommen
das Dämpfelement 15 und
das Federelement 16 mit der Prallfläche 24 in Anschlag.
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Als Dämpferelement 15 können zum
Beispiel hydraulische, pneumatische, elektrische oder mechanische
Dämpfer,
zum Beispiel sogenannte Honeycombs, verwendet werden. Für das Federelement 16 können beispielsweise
Gummifedern, Blattfedern und Zylinderfedern verwendet werden. Zur Realisierung
der Dämpfer-Federanordnung
ist es auch möglich,
die Dämpfer-
und Federelemente 15, 16 parallel oder in Reihe
zu schalten oder auch auf einen der beiden Elemente zu verzichten.
Ferner befindet sich auf der Grundstruktur 14 ein Dummy-Schulterimitat 17,
welches als untere Begrenzung für
die Expansion eines Kopf-Airbags 18 dient.
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Ein oder mehrere Fahrzeug-Karossenteile, beispielsweise
ein Fahrzeugdach und eine Fahrzeugseitenwand 19 bzw. 20,
werden relativ zu einem Pfahl 21 zur Aufnahme der bei einem
Aufprall wirkenden Kräfte
an einer Wand 22 fixiert.
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Im Weiteren wird anhand der 2 bis 6 der Ablauf bei der Durchführung einer
Aufprallsimulation in fünf
verschiedenen Phasen erläutert.
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Die 2 zeigt
die Pendeleinrichtung der 1,
wenn sich das System in der Ruhelage befindet. Der Pendelarm 1 ist
um einen definierten Winkel ausgelenkt, entsprechend der gewünschten
Aufprallgeschwindigkeit. Das Drahtseil 9 ist in die Öse des Hubmagneten 10 eingeführt und
wird dort fixiert. Dadurch wird die aus dem Dummykopf 2 und
dem Dummyhals 3 bestehende Anordnung in einer Achse 23 parallel
zu dem Pendelarm 1 gehalten. Der Kopf-Airbag 18 befindet
sich im gefalteten Zustand.
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Die 3 zeigt
den Zustand des Systems, nachdem der Pendelarm 1 ausgelöst worden
ist, zu dem Zeitpunkt des Auftreffens des Pendelarms 1 auf das
Dämpfelement 15.
Kurz vor dem in der 3 gezeigten
Zeitpunkt wird die Positionierung der aus Dummykopf 2 und
Dummyhals 3 bestehenden Anordnung gelöst, in dem die Stromversorgung
des Hubmagneten 10 unterbrochen wird und sich so das Drahtseil 9 aus
der Öse
des Hubmagneten 10 lösen kann.
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Ebenfalls zu einem kurz vor dem in
der 3 dargestellten
Zeitpunkt wird der Kopf-Airbag 18 – auch als Curtain bezeichnet – ausgelöst. Der Kopf-Airbag 18 bläst sich
in Pfeilrichtung 24 in Richtung auf das Dummy-Schulterimitat 17 auf.
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Die Auslösung des Kopf-Airbags 18 und
die Lösung
des Hubmagneten 10 erfolgt durch ein in der 3 nicht dargestelltes elektronisches
Steuerungsgerät.
Beispielsweise kann entlang des Pendelweges des Pendelarms 1 eine
Lichtschranke angeordnet sein. Beim Passieren der Lichtschranke
gibt diese ein Signal an das Steuerungsgerät ab, so dass dieses entsprechend
die Stromversorgung des Hubmagneten 10 unterbricht und
den Kopf-Airbag 18 auslöst.
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Die 4 zeigt
den Zustand des Systems zu einem Zeitpunkt nach dem Auftreffen des
Pendelarms 1 auf das Dämpfelement 15 und
das Federelement 16. Zu diesem Zeitpunkt ist der Kopf-Airbag 18 vollständig aufgeblasen.
Aufgrund des gelösten Drahtseiles 9 wird
der Dummykopf 2 und der Dummyhals 3 aufgrund des
Aufpralls des Pendelarms 1 in Richtung auf den Kopf-Airbag 18,
wobei der Dummykopf 2 in der in der 4 gezeigten Position auf den Kopf-Airbag 18 auftrifft.
Die dabei auftretenden Beschleunigungen werden durch den im Dummykopf 2 befindlichen
Beschleunigungsaufnehmer, und die am Dummyhals 3 wirkenden
Kräfte
und Momente werden durch den am Dummyhals 3 angeordneten
Halsaufnehmer 8 gemessen, insbesondere mittels des Beschleunigungsaufnehmers 11.
Die gemessenen Beschleunigungswerte, Kräfte und Momente werden mit
einer Datenerfassungseinrichtung, beispielsweise einem Datalogger,
für die
spätere
Auswertung aufgenommen.
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Die 5 zeigt
den Zustand des Systems zu einem Zeitpunkt, in dem der maximale
Ausschlag des Pendel hals 3 werden von dem Kopf-Airbag 18 aufgefangen.
Die dabei auftretenden Beschleunigungen, Kräfte und Momente werden wiederum
messtechnisch erfasst.
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Die 6 zeigt
den Zustand des Systems zu einem Zeitpunkt, in dem der Pendelarm 1 durch
die Federkraft des Federelements 16 zurückschwingt. Bei dem Zurückschwingen
werden der Dummykopf 2 und der Dummyhals 3 aus
dem Kopf-Airbag 18 herausgezogen, wodurch der sogenannte
Reboundeffekt simuliert wird. Der Kopf-Airbag 18 wird dadurch entlastet.
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Als Auftreffort des Dummykopfes 2 kommen auch
entsprechend an der Pendeleinrichtung angeordnete Fahrzeug-Verkleidungsteile
wie die A-, B- oder C-Säulenverkleidung
oder Dachrahmen-Verkleidungen in Frage.
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Alternativ können die Dummy-Schulter und das
Dummy-Schulterimitat 17 statt direkt am sogenannten Pol
(ortsfeste Struktur) auch am Pendelarm 1 befestigt werden.
Ferner kann anstatt der Drahtseil-Hubmagneten-Anordnung 9, 10 auch
ein Elektro-Magneten-Stab oder eine sonstige mechanische Anordnung
als Positionshalter verwendet werden.
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Die Erfindung erlaubt es also den
sonst hohen Kosten- und Zeitaufwand für den Aufbau und das sogenannte
Einschießen
der Crash-Anlage ganz wesentlich zu reduzieren. Ein weiterer Vorteil
sind die Verringerung von Kosten und Zeitaufwand für das Updaten
der Anlage, beispielsweise falls ein neuer Baseline-Crash-Test aufgrund
von neuen Anforderungen an die zu testenden Teile oder Strukturänderungen
erforderlich ist.
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- 1
- Pendelarm
- 2
- Dummykopf
- 3
- Dummyhals
- 4
- Tragarm
- 5
- Gelenk
- 6
- Deckenstruktur
- 7
- Gummistifte
- 8
- Halsaufnehmer
- 9
- Drahtseil
- 10
- Hubmagnet
- 11
- Beschleunigungsaufnehmer
- 12
- Aufnahme
- 13
- Zusatzgewichte
- 14
- Grundstruktur
- 15
- Dämpfelement
- 16
- Federelement
- 17
- Dummy-Schulterimitat
- 18
- Kopf-Airbag
- 19
- Fahrzeugdach
- 20
- Fahrzeugseitenwand
- 21
- Pfahl
- 22
- Wand
- 23
- Achse
- 24
- Prallfläche