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Die Erfindung betrifft ein Kraftübertragungselement
für einen
Motorraum, welches vor einem Motor angeordnet ist, der sich im Falle
eines Aufpralls in dem Motorraum verschiebt.
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Im Falle eines Aufpralls eines Fahrzeugs
auf ein Hindernis wird das Fahrzeug abrupt abgebremst, wobei schlagartig
Energie des sich bewegenden Fahrzeugs abgebaut wird. Weil das Fahrzeug
nicht starr ist, erfolgt die Fahrzeugverzögerung und damit der Energieabbau
nicht mit einem Schlag sondern über
eine gewisse Zeit. Trägt
man die Fahrzeugverzögerung über der
Zeit auf, so erhält
man eine sogenannte Verzögerungs-
oder Beschleunigungskennline (negative Beschleunigung des Fahrzeugs).
Diese Verzögerungskennlinie
ist abhängig
davon, wie das Fahrzeug aufgebaut ist und – wenn man den Frontbereich
eines Fahrzeugs betrachtet – welche
Aggregate darin wie angeordnet sind, so dass jedes Fahrzeug eine
spezifische Verzögerungskennlinie
aufweist. Besonders günstig
in Bezug auf Belastungen von Fahrzeuginsassen ist es, wenn die Verzögerung möglichst
früh anfängt und
dann auf gleichem Niveau fortgeführt
wird. Dadurch werden Verzögerungspeaks,
also hohe Verzögerungen
innerhalb kürzester Zeit,
vermieden, die eine starke Belastung für Fahrzeuginsassen bedeuten.
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Verzögerungswerte sind geringer,
wenn Hohlräume
im Fahrzeug vorhanden sind, die dem Aufprall keinen Widerstand entgegensetzen.
Das liegt daran, dass man durch solche Hohlräume keine Energie abbauen kann.
Sind solche Hohlräume
beispielsweise vor einem Motor in einem Frontbereich eines Fahrzeugs
angeordnet, so setzt der größte Teil der
Verzögerung
des Fahr zeugs nach einem Aufprall erst dann ein, wenn die Hohlräume vor
dem Motor zusammengeschoben sind und es zu einer Blockbildung Querträger – Motor – Rohbau
kommt. Das führt dazu,
dass der größte Teil
der Energie erst am Ende über
einen geringen Weg und in kürzester
Zeit abgebaut wird, was zu jenen Verzögerungspeaks und somit zu starken
Belastungen von Fahrzeuginsassen führt. Während des Zusammenschiebens
der Hohlräume
verstreicht demnach Zeit, die nicht zur Absorption von Energie genutzt
wird.
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Aus dem Stand der Technik sind verschiedene
Kraftübertragungselemente
bekannt, die dazu dienen durch Verformung Aufprallenergie abzubauen.
So ist beispielsweise aus der
DE 100 07 789 A1 ein Aufprallelement bekannt,
welches in einem Fahrzeugfrontbereich zwischen einem Querträger und
einem Motorblock angeordnet ist. Das Aufprallelement hat die Aufgabe
Beschädigungen
am Motor zu reduzieren, um dadurch Reparaturkosten zu senken. Es zeichnet
sich dadurch aus, dass es zwei hintereinander geschaltete Stufen
aufweist und in den in den Motorraum bei einem Aufprall eingeleiteten
Kraftpfad eingebunden ist. Eine erste reversible Stufe ist direkt dem
Motorblock zugewandt und besteht aus elastisch verformbaren Material:
Bei einem leichten Aufprall wird Stoßenergie in das Aufprallelement
eingeleitet und durch Verformung der ersten Stufe abgebaut. Die
zweite Stufe ist eine irreversible Stufe, die bei Überschreiten
einer gewissen Kraftschwelle plastisch verformt wird und erst bei
einem stärkeren
Aufprall aktiviert wird. Bei einem noch stärkeren Aufprall wird der größte Teil
der Energie jedoch erst dann abgebaut, wenn das bekannte Kraftübertragungselement
bereits verformt ist und es zu einer Blockbildung Querträger – Motor – Rohbau
kommt.
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Die
EP 0 098 401 A1 offenbart eine hintere Lagerung
für ein
Antriebsaggregat, welches so gestaltet ist, dass sie sich bei einer
Deformation des Vorbaus und bei Verschieben des Motors derart verformt,
dass sich das Antriebsaggregat absenkt und dabei Energie absorbiert.
Dazu weist das Lager eine U-Form und zwei Verbindungsstellen, von
denen eine lösbar gestaltet
ist, auf. Im Falle eines Aufpralls reißt zunächst die lösbare Verbindungsstelle auf,
die andere bleibt beibehalten und das Lager verformt sich. Das Verformen
des Lagers erfolgt zwar in mehreren Schritten (Ausreißen, Verformen),
die Schritte unterscheiden sich aber nicht wesentlich in dem Maß der Energie,
die durch das Kraftübertragungselement weitergeleitet
wird. Hinzu kommt, dass keine Mittel vorgesehen sind, die ein Umschalten
von einem Schritt zu dem nächsten
aktiv initiieren.
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Bei den in der
DE 196 08 196 A1 und der
DE 196 36 167 C1 offenbarten
Gegenständen
sind bezüglich
der durch ein Kraftübertragungselement
weitergeleiteten Kraft keine zwei Stufen zu erkennen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt
die Aufgabe zugrunde, ein Kraftübertragungselement
zu schaffen, das die Sicherheit von Fahrzeuginsassen weiter erhöht, insbesondere
die Belastungen bei einer Fahrzeugverzögerung infolge eines Aufpralls
reduziert.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit
den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Demnach zeichnet sich die Erfindung
durch ein im Motorraum angeordnetes Kraftübertragungselement aus, das
unterschiedliche Stufen aufweist, wobei das Umschalten von einer
auf die andere Stufe in Abhängigkeit
von der Position des Motors im Motorraum erfolgt. Das Kraftübertragungselement
ist in einen Kraftpfad eingebunden, der durch die bei einem Aufprall
in den Motorraum eingeleitete Kraft entsteht. Durch die erfindungsgemäße Anordnung
lässt sich,
je nach Position des Motors in dem Motorraum über das Kraftübertragungselement
bestimmen, wie viel Kraft über
diesen Kraftpfad weitergeleitet wird. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit,
den Energieabbau in einem Motorraum optimal in Bezug auf die Verletzungsgefahr
von Fahrzeuginsassen einzustellen. Mit anderen Worten dient das
erfindungsgemäße Kraftübertragungselement
dazu, die Aufprallkraft so in dem Fahrzeugvorbau zu verteilen bzw.
umzuleiten, dass eine Verformung zu einer für die Insassen günstigen
Zeit sowie einem für
die Insassen günstigen
Ort erfolgt.
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Wenn in der Erfindung von „Stufe"
die Rede ist, so sind damit verschiedene Zustände gemeint, die das Kraftübertragungselement
in Bezug auf die von ihm weitergeleitete Kraft einnehmen kann. Je nach
dem, welche Stufe aktiviert ist, kann das Kraftübertragungselement Kraft direkt
auf andere Elemente weiterleiten oder aber den Kraftpfad zumindest
zeitweise unterbrechen.
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Es ist denkbar, den Übergang
von einer Stufe auf die nächste
dann einzuleiten, wenn der Motor an eine den Motorraum begrenzende
Struktur stößt. Bei
einem Frontalaufprall kann das beispielsweise der an den Motorraum
angrenzende Rohbau oder die den Motorraum vom Innenraum abgrenzende
Stirnwand sein.
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Die Mittel, die den Übergang
von einer Stufe zu einer nächsten
Stufe einleiten, können
auch nach einer vorbestimmten Zeit aktiviert werden. Es ist denkbar
diese vorbestimmte Zeit mit Hilfe von Versuchen zu ermitteln, wobei
der Zeitpunkt gewählt
wird, zu dem der Motor eine Position einnimmt, die ein möglichst
günstiges
Ergebnis in Bezug auf die Insassenbelastung liefert. Um den günstigsten
Moment zum Umschalten zu ermitteln, ist es auch denkbar, die Unfallintensität oder die
Unfallschwere zu berücksichtigen.
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Das Überleiten von einer Stufe auf
eine weitere Stufe kann mit Hilfe von pyrotechnischen Elementen
erfolgen, die mit einer mit Sensoren zusammenarbeitenden Steuereinheit
verbunden sind, von der sie in einem gewünschten Moment ein Signal erhalten.
Es ist aber auch denkbar andere übliche
Aktuatoren einzusetzen, wie beispielsweise Elektromotoren. Denkbar
ist auch ein Überleiten über Werkstoffversagen
spezieller Bauteile zu initiieren, wobei es auf ein sehr genaues
Einstellen des Systems ankommt, damit das Versagen zum vorbestimmten Zeitpunkt
eintritt.
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Gemäß einer Ausführungsform
ist das erfindungsgemäße Kraftübertragungselement
vor dem Motor angeordnet, so dass die durch den Aufprall in den
Motorraum eingeleitete Kraft zunächst
in das Kraftübertragungselement
und erst dann in den Motor selber eingeleitet wird. Beispielsweise
ist eine Anordnung des Kraftübertragungselementes
zwischen Riemenscheibenebene und Kühler denkbar. Wenn das Kraftübertragungselement
den gesamten Raum zwischen diesen beiden Elementen ausfüllt, wird
die Aufprallkraft über
das Kraftübertragungselement
unmittelbar in den Motor eingeleitet. Unmittelbar heißt in diesem
Fall, dass nach dem Aufprall nicht viel Zeit vergeht und dass der
Vorbau noch nicht wesentlich deformiert worden ist.
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Durch diese Anordnung ist es möglich, die Verzögerungskennlinie
eines Fahrzeuges dahingehend zu beeinflussen, dass die Verzögerung schon zu
einem früheren
Zeitpunkt einsetzt, wo durch die Beschleunigungswerte insgesamt reduziert
werden. Mit anderen Worten ist es möglich eine lang andauernde
Verzögerung
auf niedrigerem Niveau zu erreichen. Damit wird auf dem insgesamt
zur Deformation zur Verfügung
stehenden Weg eine möglichst
gleichmäßige Beschleunigung
ohne abweichende Peaks erzielt. Das wirkt sich positiv auf die Belastungen
der Insassen aus.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen
sind den Unteransprüchen
zu entnehmen.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand
der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei
zeigen:
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1:
eine Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Kraftübertragungselementes in drei verschiedenen
Positionen sowie
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2:
eine Seitenansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Kraftübertragungselementes.
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In 1 ist
ein erfindungsgemäßes Kraftübertragungselement 1 im
Schnitt dargestellt. Das Kraftübertragungselement 1 besteht
aus einer ersten Prallplatte 2 und einer zweiten, parallel
zu der ersten ausgerichteten Prallplatte 3. Die beiden
Prallplatten 2 und 3 weisen Aufnahmen 4 auf,
die zur Lagerung von zwischen den Prallplatten 2, 3 angeordneten
Stäben 5 dienen.
Die Stäbe 5 sind
in einem bestimmten Winkel zu den Prallplatten angeordnet und dienen
der Kraftübertragung
zwischen den beiden Prallplatten 2, 3. Um eine
zuverlässige
Kraftübertragung
von einer Prallplatte über
die Stäbe 5 auf
die zweite Prallplatte zu gewährleisten,
sind zwischen den Prallplatten 2, 3 mindestens
drei Stäbe
angeordnet. Wenn die zuverlässige
Kraftübertragung
auch auf andere Weise sicherge stellt wird, ist es denkbar auch nur
zwei Stäbe zwischen
den Prallplatten 2, 3 vorzusehen.
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Die Prallplatte 3 ist mehrteilig – hier zweiteilig – ausgeführt. Sie
besteht aus einem Teil 3a und einem Teil 3b. Die
beiden Teile 3a und 3b der Prallplatte 3 sind über eine
Schraube 6 miteinander verbunden.
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In dem in 1a dargestellten Zustand ist das Kraftübertragungselement 1 starr,
dass bedeutet, dass es Kräfte
bis zu einer gewissen Schwelle überträgt, ohne
dabei selbst verformt zu werden. Sowohl die Prallplatten 2, 3 als
auch die Stäbe 5 sind
auf den Belastungsfall ausgelegt, Kräfte zu übertragen ohne dabei selbst
deformiert zu werden. Die einteilige Prallplatte 2 kann
in Krafteinleitungsrichtung vor der zweiteiligen Prallplatte 3 liegen.
Eine in das Kraftübertragungselement
eingeleitete Kraft wird also zunächst
in die einteilige Prallplatte 2 und dann über die Stäbe 5 in
die mehrteilige Prallplatte 3 eingeleitet.
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In einem Motorraum kann das Kraftübertragungselement 1 vor
dem Antriebsaggregat angeordnet sein. Es ist denkbar, dieses zwischen
Riemenscheibenebene und Kühler
vorzusehen.
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Im Folgenden wird anhand der 1b und 1c die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Kraftübertragungselement 1 erläutert. Wenn
im Falle eines Aufpralls eines Fahrzeugs auf ein Hindernis die Aufprallkraft
von einer Stoßfängereinheit
aufgenommen wird, so wird sie anschließend in das Kraftübertragungselement 1 eingeleitet.
Das Kraftübertragungselement 1 nimmt
in diesem Moment den in 1a dargestellten
starren Zustand ein. Die Kräfte werden
in dieser Stufe durch das Kraftübertragungselement 1 hindurch
weitergeleitet in hinter dem Kraftübertragungselement 1 angeordnete
Aggregate, insbesondere in einen Motorblock. Das hat zur Folge, dass
dem Aufprall schon zu einem sehr frühen Zeitpunkt ein großer Widerstand
entgegengesetzt wird, so dass die Verzögerung des Fahr zeugs ebenfalls sehr
früh beginnt.
Die Einleitung der Aufprallkraft in den Motor hat zur Folge, dass
der Motor in dem Motorraum nach hinten verschoben wird in Richtung
des den hinteren Rand des Motorraums begrenzenden Rohbaus. Es findet
also eine Blockschaltung Stoßfängereinheit – Kraftübertragungselement – Motor statt.
Weil eine Intrusion von Aggregaten des Motorraums in einen Fahrzeuginnenraum über ein
gewisses Maß hinaus
unerwünscht
ist, erfolgt diese Blockschaltung nur so lange, bis der Motor den
hinteren Bereich des Motorraums beispielsweise eine Stirnwand berührt oder
ein gewisses, von der Unfallintensität oder Unfallschwere abhängiges Maß an Intrusion
erzeugt hat.
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Sobald der Motor diese Position erreicht
hat, findet in dem erfindungsgemäße Kraftübertragungselement 1 ein Übergang
auf eine andere Stufe statt. Dieser Übergang wird dadurch ausgelöst, dass
die Verbindungsschraube 6, die die beiden Prallplattenteile 3a und 3b miteinander
verbindet gelöst
wird. Das kann beispielsweise pyrotechnisch erfolgen. Eine solche
Auslösung
der Überleitung
hat den Vorteil, dass sie sehr schnell erfolgen kann und damit das
detektierte Signal „Motor
berührt
die Stirnwand" sehr schnell umgesetzt werden kann. Selbstverständlich kann
der Zeitpunkt des Übergangs
auch in Abhängigkeit
von anderen Positionen des Motors im Motorraum erfolgen.
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Sobald die Verbindungsschraube 6 gelöst wird,
bewirkt die noch nicht vollständig
abgebaute Aufprallenergie, dass die beiden Prallplattenteile 3a und 3b auseinander
geschoben werden. Der Kraftverlauf in dem Kraftübertragungselement 1 ist
in 1b durch die Pfeile
F gekennzeichnet. Das Umschalten von der ersten Stufe auf die zweite
Stufe bewirkt, dass solange die Prallplatte 3 auseinander
bewegt wird, keine Kraft durch das Kraftübertragungselement 1 weitergeleitet
werden kann. Eine Kraftweiterleitung erfolgt erst dann wieder, wenn
das Kraftübertragungselement 1 die
in 1c dargestellte Position
einnimmt.
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Durch das Kraftübertragungselement 1,
dessen erste Stufe eine gewisse Ausdehnung in Richtung des Kraftverlaufs
hat, gleichzeitig bei einer Krafteinleitung steif ist, werden die
Aufprallkräfte
direkt in den Motorblock eingeleitet, wodurch dieser frühzeitig verzögert wird.
Erst dann wenn der Motor den Rohbau berührt, wird auf die zweite Stufe
des Kraftübertragungselement 1 umgeschaltet.
Das Umschalten auf die zweite Stufe bewirkt ein Verformen des Kraftübertragungselement
auf eine minimale Ausdehnung in Richtung des Kraftverlaufs, wodurch
nach Kontakt des Motors mit dem Rohbau zusätzlicher Deformationsweg geschaffen
wird, der verhindert, dass eine Intrusion von Aggregaten im Motorraum
in den Innenraum erfolgt. Zusammenfassend kann festgehalten werden,
dass das erfindungsgemäße Kraftübertragungselement 1 dazu
beiträgt,
die Verzögerungskennlinie
zu beeinflussen, ohne den Gesamtdeformationswegs zu verkürzen. Durch
eine steife erste Stufe wird die Energie zunächst in hintere Bereiche des
Motorraums geleitet, um dann anschließend die zweite Stufe zu aktivieren,
wodurch die Ausmaße
des Kraftübertragungselements
schlagartig minimiert werden – Deformation
unter niedrigem Kraftniveau- und
somit zusätzliche
Deformationszonen im vorderen Bereich des Motorraums freigeschaltet
werden. In diesem Zeitraum wirken über die Deformation von Vorderachsteilen
und dem Rohbau harte Kraftpfade, so dass eine gleichmäßige Kennlinie
erzeugt werden kann.
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In den 2a bis 2c ist ein weiteres Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Kraftübertragungselementes 1' dargestellt,
welches aus zwei sich kreuzenden Stäben 5' besteht. In
dem Kreuzungspunkt der Stäben 5' ist
ein Gelenk 7 vorgesehen, welches die beiden Stäben 5' miteinander
verbindet und eine Schwenkbewegung der Stäben 5' zueinander
ermöglicht.
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An einem äußeren Ende der Stäbe 5' sind
sie über
einen Trennstab 6' miteinander verbunden. In 2a ist die Ausgangsposition
des erfindungsgemäßen Krafteinleitungselementes 1' dargestellt;
das Krafteinleitungselement 1' nimmt in dieser Darstellung
die erste Stufe ein. Um eine zuverlässige Funktionsweise der erfindungsgemäßen Anordnung
sicher zu stellen, muss das Kraftübertragungselement 1' so
angeordnet sein, dass der Trennstab 6' senkrecht zu einer
Krafteinleitungsrichtung ausgerichtet ist. Die Krafteinleitungsrichtung
ist in 2b durch den
Pfeil F angedeutet. In 2b ist
der Übergang von
der ersten zur zweiten Stufe dargestellt. Der Trennstab 6' wurde
in der Mitte getrennt und die Stäbe 5' klappen über das
Gelenk 7 in Richtung der Pfeile A zusammen. Der Trennvorgang
des Trennstab erfolgt entsprechend der zuvor beschriebenen Trennschraube 6.
Die endgültige
Formation des Kraftübertragungselementes 1' ist
in 2c dargestellt. Auf diese
Weise werden die Ausmaße
des Kraftübertragungselementes 1' minimiert.
Die Funktionsweise dieser Ausführungsform
entspricht der anhand der 1a bis 1c beschriebenen Ausführungsform.
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Neben den beschriebenen Ausführungsbeispielen
ist es auch denkbar, dass das Umschalten von einer Stufe auf eine
andere über
Versagen einer Werksstoffstruktur oder über flexible unter Druck stehende
Behälter
erfolgt, bei denen schlagartig Druck abgelassen wird. Auch durch
diese Mechanismen können
innerhalb kürzester
Zeit die Ausdehnung von Kraftübertragungselementen
verringert werden, wodurch zusätzliche
Deformationszonen freigeschaltet werden.