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Die vorliegende Erfindung betrifft ein
aufprallenergieabsorbierendes Bauteil zur Verwendung im Fahrgastraum eines
Automobils und insbesondere ein
aufprallenergieabsorbierendes Bauteil, das dazu geeignet ist, die auf Insassen
wirkende Aufprallenergie zu reduzieren, wenn eine Aufprallkraft
auf das Fahrzeug ausgeübt wird, wenn das Automobil
kollidiert oder sich überschlägt.
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In jüngster Zeit sind für Bauteile für Automobile und
ähnliche Fahrzeuge hinsichtlich Schutz- und
Sicherheitsmaßnahmen für Insassen im Fall eines Unfalls, z. B. einer
Kollision oder eines Überschlags, tendentiell hohe Standards
festgelegt worden. Insbesondere sind in den USA durch die
Federal Motor Vehicle Safety Standards (FMVSS 201, 208, 214,
usw.) strenge Standards festgelegt worden. Infolgedessen
müssen Instrumententafeln, Stützen- oder
Säulenverkleidungen, Türverkleidungen und ähnliche Fahrzeugbauteile in der
Lage sein, Aufprallenergie zu absorbieren.
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Die aufprallenergieabsorbierende Struktur eines
Automobils besteht aus Strukturelementen, wie beispielsweise dem
Rahmen, Türwänden, einem Innenraum-Kunststoffmaterial, das
den Fahrgastraum bildet und auf der Innenseite dieser
Strukturelemente angeordnet ist, und zwischen diesen Elementen
ängeordneten, aufprallenergieabsorbierenden
Kunststoffbauteilen. In den JP-A-8-58507 und JP-A-10-35378 wird eine
Struktur beschrieben, in der Wände (Innenelemente) und
Rippenstrukturen (aufprallenergieabsorbierende Bauteile)
integral ausgebildet sind.
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Eine derartige Struktur hat jedoch eine geringe
Steifigkeit, um zu verhindern, daß eine hohe Aufprallkraft oder
Last auf den menschlichen Körper ausgeübt wird, wobei eine
gewisse Verformung auftreten muß, bis die beim Aufprall
erzeugte Last einen Spitzenwert erreicht. Infolgedessen muß
die Dicke der Struktur erhöht werden, um zu ermöglichen, daß
die Struktur die Aufprallenergie derart absorbiert, daß die
Insassen nicht mit einer hohen Geschwindigkeit mit dem
Strukturelement des Automobils kollidieren, wenn die
Strukturverformung ihren Grenzwert erreicht. Dies hat nachteilige
Auswirkungen, beispielsweise wird das Sichtfeld
eingeschränkt und der Komfort verschlechtert, weil die räumlichen
Abmessungen des Fahrgastraums reduziert werden. Wenn dagegen
die aufprallenergieabsorbierende Struktur eine hohe
Steifigkeit besitzt, wird eine hohe Aufprallkraft oder Last
ausgeübt, so daß der Schutz des menschlichen Körpers nicht in
ausreichendem Maße gewährleistet werden kann.
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Daher ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
ein aufprallenergieabsorbierendes Bauteil bereitzustellen,
das in der Lage ist, Aufprallenergie bei einer geringen
Verformung in ausreichendem Maße zu absorbieren, so daß es in
der Lage ist, den menschlichen Körper hinreichend zu
schützen, während ein geeignetes Sichtfeld beibehalten wird und
ausreichende räumliche Abmessungen im Fahrgastraum
bereitgestellt werden. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der
Patentansprüche gelöst.
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Der hierin verwendete Ausdruck "Sprödbruchabschnitt mit
hoher Steifigkeit" kann als Bauteil definiert werden, das
eine große Rückstoßenergie bei einer Einheitsverformung
(Last[N]-Verformung-Kurve) aufweist und bereits bei einer
geringen Verformung bricht, und der Ausdruck
"Verformungsbruchabschnitt mit geringer Steifigkeit" kann als Bauteil
definiert werden, das eine geringe Rückstoßenergie bei einer
Einheitsverformung (Last[N]-Verformung-Kurve) aufweist und
erst bei einer starken Verformung bricht. Insbesondere
sollte erwähnt werden, daß der Verformungsbruchabschnitt mit
geringer Steifigkeit eine niedrige Last[N]-Verformung-Kurve
und im Vergleich zum Sprödbruchabschnitt mit hoher
Steifigkeit einen wesentlichen Verformungsgrenzwert bis zum Bruch
aufweist.
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Durch diese Anordnung wird ein
aufprallenergieabsorbierendes Bauteil bereitgestellt, in dem ein
Sprödbruchabschnitt mit hoher Steifigkeit und ein
Verformungsbruchabschnitt mit geringer Steifigkeit parallel verformt werden,
wodurch ein Verformungsverhalten erhalten wird, in dem das
jeweilige Verformungsverhalten der beiden Bauteile während
des Energieabsorptionsvorgangs kombiniert sind. Insbesondere
wird der Sprödbruchabschnitt mit hoher Steifigkeit verformt,
während eine große Rückstoßkraft auf den kollidierenden
Gegenstand ausgeübt wird, und das Bauteil absorbiert eine
große Menge kinetischer Energie, bricht jedoch bereits bei
einer geringen Verformung. Der Verformungsbruchabschnitt mit
geringer Steifigkeit absorbiert aufgrund seiner geringen
Rückstoßenergie bei einer Einheitsverformung keine große
Menge kinetischer Energie und bricht erst im allerletzten
Moment bei einer starken Verformung. Infolgedessen kann ein
aufprallenergieabsorbierendes Bauteil bereitgestellt werden,
dessen Energieabsorptionsvermögen bei einer geringen
Gesamtverformung ausreichend ist, ohne daß am Ende des
Verformungsvorgangs eine erhöhte Last auftritt.
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Gemäß Anspruch 2 kann verhindert werden, daß der Last-
Spitzenwert zunimmt, indem der Sprödbruchabschnitt mit hoher
Steifigkeit so konstruiert wird, daß er in der Mitte des
Verformungsvorgangs bricht.
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Gemäß Anspruch 3 kann der Bruchzeitpunkt des
Sprödbruchabschnitts mit hoher Steifigkeit leicht eingestellt
werden, und das Verformungsverhalten des
aufprallenergieabsorbierenden Bauteils und die damit verbundenen
aufprallenergieabsorbierenden Eigenschaften können leicht gesteuert
werden.
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Die vorliegende Erfindung wird anhand der nachstehenden
ausführlichen Beschreibung und der beigefügten Zeichnungen
anhand von Beispielen verdeutlicht, die die vorliegende
Erfindung nicht einschränken sollen.
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Fig. 1 zeigt eine schematische Ansicht des
erfindungsgemäßen aufprallenergieabsorbierenden Bauteils und eines
kollidierenden Gegenstands;
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Fig. 2 zeigt eine schematische Ansicht des
erfindungsgemäßen aufprallenergieabsorbierenden Bauteils und eines
kollidierenden Gegenstands;
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Fig. 3 zeigt eine schematische Ansicht zum Darstellen
eines Sprödbruchabschnitts mit hoher Steifigkeit des
erfindungsgemäßen aufprallenergieabsorbierenden Bauteils;
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Fig. 4 zeigt eine vergrößerte Ansicht eines
Sprödbruchabschnitts mit hoher Steifigkeit des erfindungsgemäßen
aufprallenergieabsorbierenden Bauteils;
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Fig. 5 zeigt eine schematische Ansicht eines
Verformungsbruchelements mit geringer Steifigkeit;
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Fig. 6 zeigt ein geometrisches Modell des
erfindungsgemäßen aufprallenergieabsorbierenden Bauteils und eines
kollidierenden Gegenstands, das in einer Simulation verwendet
wurde, mit der das Kollisionsverhalten bestimmt wurde;
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Fig. 7 zeigt einen Graphen zum Darstellen der Beziehung
zwischen der Verformung und der Rückstoßkraft (Last), die
beobachtet wird, wenn das Kollisionsverhalten für das
erfindungsgemäße aufprallenergieabsorbierende Bauteil bestimmt
wird;
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Fig. 8 zeigt einen Graphen zum Darstellen der Beziehung
zwischen der Verformung und der Rückstoßkraft (Last), die
beobachtet wird, wenn das Kollisionsverhalten nur für den
Verformungsbruchabschnitt mit geringer Steifigkeit bestimmt
wird, wie im Vergleichsbeispiel 1 dargestellt;
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Fig. 9 zeigt einen Graphen zum Darstellen der Beziehung
zwischen der Verformung und der Rückstoßkraft (Last) des
aufprallenergieabsorbierenden Bauteils, die beobachtet wird,
wenn die Plattendicke nur des Verformungsbruchabschnitts mit
geringer Steifigkeit vergrößert wird und die Rückstoßenergie
bei einer Einheitsverformung erhöht wird, wie im
Vergleichsbeispiel 2 dargestellt; und
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Fig. 10 zeigt die Beziehung zwischen der Verformung und
der Rückstoßkraft (Last), die beobachtet wird, wenn das
Kollisionsverhalten nur für den Sprödbruchabschnitt mit hoher
Steifigkeit bestimmt wird, wie im Vergleichsbeispiel 3
dargestellt.
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Die vorliegende Erfindung wird nachstehend unter Bezug
auf die Diagramme ausführlich beschrieben. Die Fig. 1 und
2 zeigen schematische Ansichten eines erfindungsgemäßen
aufprallenergieabsorbierenden Bauteils 10 und eines
kollidierenden Gegenstands 11 zum Bestimmen des
Kollisionsverhaltens. Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht, betrachtet
von der Strukturseite eines Automobils, und Fig. 2 zeigt
eine Seitenansicht. Die Dicken sind in diesen Diagrammen
weggelassen. In dieser Ausführungsform besteht das
aufprallenergieabsorbierende Bauteil 10 aus einem
Sprödbruchabschnitt 12 mit hoher Steifigkeit und einem
Verformungsbruchabschnitt 13 mit geringer Steifigkeit, die separat
ausgebildet sind.
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Fig. 3 zeigt eine schematische Ansicht zum Darstellen
des Sprödbruchabschnitts 12 mit hoher Steifigkeit und
insbesondere ein Bauteil, das eine große Rückstoßkraft bei einer
Einheitsverformung aufweist und bereits bei einer geringen
Verformung bricht; und Fig. 4 zeigt eine vergrößerte Ansicht
davon. Fig. 5 zeigt eine schematische Ansicht zum Darstellen
des Verformungsbruchabschnitts 13 mit geringer Steifigkeit
und insbesondere ein Bauteil, das eine kleine Rückstoßkraft
bei einer Einheitsverformung aufweist und erst bei einer
großen Verformung bricht.
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In der vorliegenden Ausführungsform weist der
Sprödbruchabschnitt 12 mit hoher Steifigkeit mehrere zylindrische
Elemente 14 auf. In den zylindrischen Elementen 14 sind
Nuten (leicht brechbare oder zerbrechliche Abschnitte) 15
ausgebildet, die sich entlang der Aufprallrichtung erstrecken
und am vorderen Ende offen sind. Die Nuten 15 können so
konstruiert sein, daß sie sich zum vorderen Ende der
zylindrischen Elemente 14 hin erweitern.
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Der Verformungsbruchabschnitt 13 mit geringer
Steifigkeit bildet einen Rippenstrukturkörper 18, der durch
Integrieren einer der Kollisionsrichtung zugewandten vorderen
Platte 16 und einer sich entlang der Kollisionsrichtung
erstreckenden gitterförmigen Rippenplatte 17 gebildet wird.
Die zylindrischen Elemente 14 sind in den Gittern des
Rippenstrukturkörpers 18 angeordnet. Die zylindrischen Elemente
14 und der Rippenstrukturkörper 18 können so ausgebildet
sein, daß sie sich gegenseitig halten, so lange sie im
wesentlichen unabhängig voneinander verformbar sind. In diesem
Beispiel sind der hintere Rand der Rippenplatte 17 und der
hintere Rand der zylindrischen Elemente 14 im wesentlichen
koplanar angeordnet, und die beiden Komponenten beginnen
sich bei einer Kollision gleichzeitig zu verformen. Die
koplanare Anordnung ist jedoch nicht erforderlich, sondern
eine der Komponenten kann verzögert beginnen sich zu
verformen.
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In der vorliegenden Ausführungsform sind der
Sprödbruchabschnitt 12 mit hoher Steifigkeit und der
Verformungsbruchabschnitt 13 mit geringer Steifigkeit unter Verwendung
verschiedener Materialien separat ausgebildet; d. h., der
Sprödbruchabschnitt 12 mit hoher Steifigkeit besteht aus
einem Material mit hoher Steifigkeit, und der
Verformungsbruchabschnitt 13 mit geringer Steifigkeit besteht aus einem
Material mit geringer Steifigkeit, um die Konstruktion
hinsichtlich der Bestimmung des Verhaltens und des Beitrags der
einzelnen Komponenten beim Verformungsvorgang zu
vereinfachen. Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind
jedoch nicht darauf beschränkt. Beispielsweise können die
Komponenten unter Verwendung des gleichen Materials separat
ausgebildet werden, was unproblematisch ist, weil die
Steifigkeit durch die Dicke und die Form des Materials
eingestellt werden kann. Die Komponenten können unter Verwendung
eines speziellen Verfahrens aus verschiedenen Materialien
integral ausgebildet sein, wodurch der zum Kombinieren der
beiden Komponenten erforderliche Arbeitsaufwand eliminiert
wird. Natürlich können die beiden Komponenten auch unter
Verwendung des gleichen Materials integral ausgebildet
werden. Wenn die beiden Komponenten auf integrierte Weise
ausgebildet werden, werden der Sprödbruchabschnitt 12 mit hoher
Steifigkeit und der Verformungsbruchabschnitt 13 mit
geringer Steifigkeit vorzugsweise so ausgebildet, daß sie
deutlich unterscheidbar sind, und die Komponenten werden derart
verbunden, daß sie sich während des Verformungsvorgangs
nicht gegenseitig beeinflussen.
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Durch strukturelles Ausbilden der zerbrechlichen
Abschnitte 15 im Sprödbruchabschnitt 12 mit hoher Steifigkeit
kann die Sprödbruchfesigkeit des Materials unabhängig von
seiner Festigkeit eingestellt werden. In der vorstehend
erwähnten Ausführungsform sind die Nuten in den zylindrischen
Elementen 14 ausgebildet, und während der Anfangsphase eines
Verformungsvorgangs wird eine hohe Rückstoßkraft erzeugt,
die zylindrischen Elemente 14 erweitern sich jedoch vom
vorderen Rand ausgehend und brechen im Verlauf des
Verformungsvorgangs aufgrund der Wirkung der Nuten 15, so daß erreicht
werden kann, daß die Komponente bei einer relativ geringen
Verformung bricht.
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Für den in der vorliegenden Ausführungsform
vorgesehenen Verformungsbruchabschnitt 12 mit hoher Steifigkeit
sollte der Verformungsgrenzwert bis zum Bruch kleiner sein als
die halbe Länge D1 [mm] in Richtung der Verformung, und die
Steifigkeit K1 [kN/m] sollte die in Gleichung (1)
dargestellte Bedingung erfüllen. E(J) bezeichnet die kinetische
Energie des kollidierenden Gegenstandes.
K1 ≥ 8E/D1 2 (1)
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Für den in der vorliegenden Ausführungsform
vorgesehenen Verformungsbruchabschnitt 13 mit geringer Steifigkeit
sollte der Verformungsgrenzwert bis zum Bruch größer sein
als die Länge D2 [mm] in Richtung der Verformung oder ihr
gleichen, und die Steifigkeit K2 [kN/m] sollte die in
Gleichung (2) dargestellte Bedingung erfüllen.
K2 < 8E/D2 2 (2)
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Die vorliegende Erfindung wird nachstehend unter Bezug
auf Beispiele näher beschrieben, die vorliegende Erfindung
ist jedoch nicht auf diese Beispiele beschränkt.
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Das (gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung konstruierte) aufprallenergieabsorbierende Bauteil
10 ist gemäß der vorstehenden Beschreibung konfiguriert, und
der Sprödbruchabschnitt 12 mit hoher Steifigkeit ist ein
Zylinder mit einem Durchmesser von 15 mm, einer Höhe von 26 mm
und einer Dicke von 1,2 mm. Darin sind vier Nuten mit einer
Breite von 3,9 mm und einer Länge von 21 mm ausgebildet. Der
Verformungsbruchabschnitt 13 mit geringer Steifigkeit ist
eine gitterförmige Rippenstruktur 20 mit einer Länge von 270 mm,
einer Breite von 90 mm, einer Höhe von 26 mm, einer
Plattendicke von 0,6 mm und einem Zwischenraum oder Abstand
von 30 mm. Der Sprödbruchabschnitt 12 mit hoher Steifigkeit
ist parallel angeordnet, so daß er in jedes Gitterelement
des Verformungsbruchabschnitts 13 mit geringer Steifigkeit
paßt.
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Das Verhalten des aufprallenergieabsorbierenden
Bauteils 10 wird durch ein beispielsweise in Fig. 1
dargestelltes Verfahren bestimmt. Insbesondere wird die Vorderseite
des aufprallenergieabsorbierenden Bauteils einer Barriere
(einer festen Wand) zugewandt angeordnet, wird veranlaßt,
daß ein halbkugelförmiger kollidierender Gegenstand 11 mit
einer Masse von 6,8 kg und einem Durchmesser von 165 mm mit
einer Geschwindigkeit von 5,0 m/s von der Rückseite mit dem
Bauteil kollidiert, und werden das Verformungsmaß und die
Rückstoßkraft (Last) des aufprallenergieabsorbierenden
Bauteils gemessen. Das Verhalten des
aufprallenergieabsorbierenden Bauteils 10 wird durch Simulation unter Verwendung
eines Computers bestimmt. Geeignete Analysetechniken sind
bekannt, und für diesen Zweck vorgesehene Software ist
kommerziell erhältlich. Fig. 6 zeigt ein geometrisches Modell
für eine derartige Analyse.
Anwenderprogramm
LS-DYNA Version 940 (hergestellt von Livermore Software
Technology Corporation)
Analysetechniken
Räumliche Diskretisierung: Finite Elementemethode
Zeitliche Integration: Explizite Methode basierend auf
zentralen Differenzen.
Randbedingungen für aufprallenergieabsorbierendes Bauteil
Definieren einer starren Wand gegenüberliegend einem
kollidierenden Gegenstand.
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Die folgenden Werte, z. B. der Elastizitätsmodul und die
Bruchfestigkeit, wurden für das im erfindungsgemäßen
aufprallenergieabsorbierenden Bauteil vorgesehene Material im
Sprödbruchabschnitt 12 mit hoher Steifigkeit verwendet.
- - Elastizitätsmodul: 10400 MPa
- - Bruchfestigkeit: 356 MPa
- - Poissonscher Beiwert (Querdehnungsziffer): 0,35
- - Spezifisches Gewicht: 1,22
- - Materialmodell: LS-DYNA Physical Properties Typ 19
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Die folgenden Werte, z. B. der Elastizitätsmodul und die
Bruchfestigkeit, wurden für das im erfindungsgemäßen
aufprallenergieabsorbierenden Bauteil vorgesehene Material im
Verformungsbruchabschnitt 13 mit geringer Steifigkeit
verwendet.
- - Elastizitätsmodul: 863 MPa
- - Streckgrenze: 19,6 MPa
- - Zerstörung der gebrochenen Zusammensetzung: 0,40
- - Poissonscher Beiwert (Querdehnungsziffer): 0,40
- - Spezifisches Gewicht: 0,90
- - Materialmodell: LS-DYNA Physical Properties Typ 24
- - Parameter der Cowper-Symonds-Gleichung: C = 2,80 s-1,
P = 9,87
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Fig. 7 zeigt die Beziehung zwischen der Verformung [mm]
und der Rückstoßkraft (Last) [kN], die beobachtet wird, wenn
das Kollisionsverhalten des erfindungegemäßen
aufprallenergieabsorbierenden Bauteils durch Simulation bestimmt wird.
Es ist ersichtlich, daß die Verformung bei 21 mm stoppt, der
Maximalwert der Rückstoßkraft 6 kN erreicht und geeignete
aufprallabsorbierende Eigenschaften bei einer geringen
Verformung gewährleistet werden können.
Vergleichsbeispiel 1
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Fig. 8 zeigt die Beziehung zwischen der Verformung [mm]
und der Rückstoßkraft (Last) [kN], die beobachtet wird, wenn
eine Simulation verwendet wird, um das Kollisionsverhalten
wie im vorstehenden Beispiel zu bestimmen, wobei nur der
Verformungsbruchabschnitt 13 mit geringer Steifigkeit
verwendet wird. Anhand des Diagramms ist ersichtlich, daß, wenn
das Verformungsmaß 26 mm erreicht, ein Kollisionskörper für
die Bestimmung des Kollisionsverhaltens mit den
Strukturelementen des Automobils kollidiert und die Rückstoßkraft
schnell ansteigt, wodurch unzulängliche energieabsorbierende
Eigenschaften erhalten werden.
Vergleichsbeispiel 2
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Fig. 9 zeigt die Beziehung zwischen der Verformung [mm]
und der Rückstoßkraft (Last) [kM], die beobachtet wird, wenn
eine Simulation verwendet wird, um das Kollisionsverhalten
einer gitterförmigen Rippenstruktur mit einer Länge von 270
mm, einer Breite von 90 mm, einer Höhe von 26 mm, einer
Dicke von 1,0 mm und einem Zwischenraum oder Abstand von 30 mm
zu bestimmen (die Steifigkeit wird durch Einstellen der
Plattendicke auf 1,0 mm erhöht). Die Verformung stoppt bei
18 mm. Der Maximalwert der Rückstoßkraft bis zu einer
Verformung von 15 mm ist im wesentlichen mit derjenigen des
vorstehenden Beispiels bei 6 kM identisch, der Maximalwert
erhöht sich jedoch auf 9 kN bei einem Verformungsmaß von
15 mm oder mehr, woraus ersichtlich ist, daß die
aufprallenergieabsorbierenden Eigenschaften schlechter sind als
diejenigen des vorstehenden Beispiels.
Vergleichsbeispiel 3
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Fig. 10 zeigt die Beziehung zwischen der Verformung
[mm] und der Rückstoßkraft (Last) [kM], die beobachtet wird,
wenn das Kollisionsverhalten nur für den Sprödbruchabschnitt
12 mit hoher Steifigkeit bestimmt wird. Wenn das
Verformungsmaß 10 mm erreicht, bricht der Sprödbruchabschnitt 12
mit hoher Steifigkeit, und die Rückstoßkraft nimmt schnell
ab. Außerdem kollidiert, wenn das Verformungsmaß
anschließend 26 mm erreicht, ein Kollisionskörper zum Bestimmen des
Kollisionsverhaltens mit der Automobilstruktur, und die
Rückstoßkraft nimmt schnell zu.