DE19717407A1 - Verformbarer Aufprallschutz für Radfahrzeuge - Google Patents

Description

In der Fahrzeugtechnik wird der Aufprallschutz von Fahrzeugen meist so ausgeführt, daß er im Kollisionsfall möglichst viel der Bewegungsenergie absorbiert. Dies war das Ziel bei den ersten systematischen Crash-Tests 1954 von Ford [1], und ist es heute immer noch, z. B. bei Crash-Tests 1996 mit neuartigen Kunststoffkarosserien [2]. Bei Flurförderzeugen wird dieselbe Energie­ absorption mit einem Aufprallschutz aus Schaumstoff versucht.

In allen Anwendungsfällen sind die Kollisionsschäden hoch:
Beim PKW treten bereits bei mittleren Geschwindigkeiten hohe Sachschäden durch irreversible Verformungen auf (inelastischer Stoß). Die hohen Schäden bei frontalen, seitlichen versetzten Zusammenstößen entstehen oft dadurch, daß die externen Stoßkräfte in Verbindung mit den Führungskräften der Räder in einer typischen Weise wirken; nämlich so, daß sich beide Fahrzeuge zu Beginn des Kollisionsprozesses einander zudrehen und sich dadurch noch mehr ineinander verkeilen. Bei Flurförderzeugen führen Kollisionen oder Fast-Kollisionen zum Stillstand des Materialflußsystems und somit zu teuren Ausfallzeiten.

Die Erfindung ist in Figur Nr. 1 dargestellt, ihre Komponenten Außenhaut (2) und Aufhängung (3) sind in Patentanspruch 1 erläutert. Der starre Fahrzeugkörper (1) besitze eine starre Achse mit zwei Rädern (4) und mindestens ein passiv oder aktiv lenkbares Rad (5). Durch die in Patentanspruch 1 bis 5 aufgeführten Merkmale der Erfindung tritt im Fall einer Kollision ein weitgehend elastischer und kollisionsabweisender Stoß auf, der die beschriebenen Kollisionsschäden vermeidet:

Im Fall einer Kollision unter 90° wirkt der Aufprallschutz wie eine Feder, die das Fahrzeug vom Kollisionskörper zurückstößt (siehe Patentanspruch 2 und Figur Nr. 2).

Im Fall einer Kollision unter 45° erzeugt der Aufprallschutz ein Fahrzeugverhalten, das dem einer Billardkugel ähnelt, die an unter 45° an die Bande stößt (siehe Patentanspruch 3 und Figur Nr. 3). Figur Nr. 4 stellt den Moment des Aufpralls dar, erklärt den Reibungseinfluß und warum die Außenhaut am Kollisionskörper abgleitet: Der mit dem Aufprallschutz (2) ausgestattete Fahrzeugkörper (1) bewege sich in Richtung (3) und kollidiere mit dem starren, unbeweglichen Körper (4) am Kollisionsort (5). Da die Stoßrichtung (6) außerhalb des Reibungskegels (7) liegt, kommt es in der Kontaktfläche (5) zum Gleiten. Die Stoßkraft (8) auf die Außenhaut ergibt sich damit aus der Vektorsumme der Normalkomponente (9) und der kleineren, gleitreibungsabhängigen Tangentialkomponente (10).

Die Stoßkraft (8) wird durch die Aufhängung auf den Fahrzeugkörper übertragen: Sie erzeugt im Rotationszentrum (11) ein positives Drehmoment (12), proportional zur Länge des Hebelarms (13). Dieses Drehmoment lenkt das Fahrzeug vom Ort der Kollision ab, d. h. in Fahrtrichtung nach links.

Das Fahrzeug gleitet also mit der Außenhaut am Kollisionskörper ab und daran vorbei, ohne daß die Bewegungsenergie absorbiert werden muß. Die Rollbewegung der Räder bleibt während des gesamten Kollisionsverlaufs erhalten.

Die Erfindung eignet sich für sämtliche Radfahrzeuge des niedrigen und mittleren Geschwindigkeitsbereichs (Straßenverkehr, Industrie, Dienst­ leistungsbereich), falls die Lenkung ein Umlenken des Fahrzeugs durch äußere Kräfte erlaubt. Sie eignet sich weiterhin für manuell geführte Handkarren, automatische Flurförderzeuge, mobile Roboter und für zukünftige, computer­ geführte Straßenverkehrsfahrzeuge.

Die Vorteile der Erfindung sind wie folgt:

• - Geringere Verletzungsgefahr.
  Mobile Roboter als Transportfahrzeuge in öffentlichen Bereichen werden sicherer für den Menschen, wenn sie eine weiche oder flexible Haut erhalten.
• - Vorteile bei seitlich versetzten Zusammenstößen.
  Eine große Schadenreduktion ist bei einem seitlich versetzten Zusammenstoß zu erwarten: Er entspricht dem unter Patentanspruch 3 beschriebenen, schrägwinkeligen Zusammenstoß: Zwei frontal, seitlich versetzt kollidierende Fahrzeuge gleiten aneinander ab und vorbei, anstatt daß sie sich ineinander verkeilen. Oder ein Fahrzeug, das mit einem Baum kollidiert, wird nicht gestoppt, sondern umgelenkt.
• - Geringeres Kollisionsrisiko.
  Computergeführte Fahrzeuge sind mittelfristig im öffentlichen Verkehr nicht einsetzbar, da das Kollisionsrisiko - das Produkt aus Kollisions­ wahrscheinlichkeit und Kollisionsschaden - noch zu hoch ist. Die Erfindung reduziert den Kollisionsschaden und kann den Einsatz solcher Fahrzeuge früher ermöglichen.
• - Keine Ausfallzeiten bei Kollisionen.
  In der Fördertechnik entstehen keine Ausfallzeiten, da geringfügige Kollisionen von Flurförderzeugen nicht zum Systemstillstand führen müssen.
• - Kein seitliches Wegrutschen der Räder bei Kollisionen.
  Mobile Roboter die ihre Position durch Odometrie (Integration der Radumdrehungen) gewinnen, verlieren ihre Orientierung, wenn es bei Kollisionen zu Radschlupf kommt. Das durch die Erfindung erzeugte kollisionsabweisende Drehmoment in Verbindung mit der Nachgiebigkeit der Außenhaut verhindert große Seitenkräfte in den Rädern. Damit wird Radschlupf vermieden oder vermindert.
• - Leichtbau.
  Die Aufhängung kann durch rein zugbelastete Feder/Dämpfer-Elemente unter guter Ausnutzung der Materialeigenschaften realisiert werden. Der Aufprallschutz ähnelt dann einem quergelegten, ellipsenförmigen Speichenrad.

Figur Nr. 5 zeigt eine mögliche Realisierung des Aufprallschutzes an einem mobilen Roboter. Die Außenhaut (1) besteht aus einer synthetischen, transparenten Folie (Gleitreibungskoeffizient µ≈0,2), die an einem weißen Glasfaserstab (2) angebracht ist. Der Stab ist durch 16 Gummifedern (3) am mobilen Roboter elastisch aufgehängt.

Die Gesamtlänge des Fahrzeugs beträgt ca. 75 cm. Die beschriebenen Effekte wurden experimentell nachgewiesen, Frontalkollisionen mit einer Wand für Geschwindigkeiten bis zu 1 m/s wurden schadenfrei durchgeführt.

Eine Außenhaut geringerer Reibung ließe sich dadurch realisieren, daß man eine Oberhaut punktweise auf dem Untergrund fixiert, flächig jedoch eine Gleitfläche aus Teflon anbringt. Die Punktverbindungen würden im Fall einer Kollision aufbrechen und die Gleitschicht würde in Funktion treten.

Für die Aufhängung lassen sich durch heutige synthetische Materialien Feder/Dämpfer-Eigenschaften nahezu beliebig vorgeben (z. B. Freudenberg in Weinheim).

Literatur:
[1] Anthony J. Yanik, "The first 100 years of transportation safety: part 2" in der Zeitschrift: Automotive Engineering, Engineering Society for Advancing Mobility, Vol. 104, Nr. 11, S. 59-64, Februar 1996;
[2] Steven Ashley, "Composite car structures pass the crash test", in der Zeitschrift: Mechanical Engineering, Vol. 118, Nr. 12, S. 59-63, Dezember 1996.

Claims (5)

1. Verformbarer, mechanischer Aufprallschutz für Radfahrzeuge (Figur Nr. 1), der den inneren, starren Fahrzeugkörper (1) vollstandig um­ schließt, der aus einer Außenhaut (2) und deren Aufhängung (3) am Fahrzeugkörper besteht, und der im Kollisionsfall Bewegungsenergie des Fahrzeugkörpers aufnehmen kann,
dadurch gekennzeichnet,

• 1.1 daß Außenhaut und ihre Aufhängung federnd und rückfedernd sind,
• 1.2 daß daher im Kollisionsfall ein elastischer Stoß mit reversiblen Verformungen erfolgt.

2. Verformbarer Aufprallschutz nach Patentanspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

• 2.1 daß das Fahrzeug im Fall einer frontalen, zentralen Kollision mit einem starren, unbeweglichen Kollisionskörper abgebremst und zurück­ gestoßen wird (Figur Nr. 2), wobei
  • 2.1.1 die Bewegungsenergie vor dem Stoß (1) zu Beginn des Kollisionsprozesses bis zum Fahrzeugstillstand (2) durch die Verformungen von Haut und Aufhängung aufgenommen wird,
  • 2.1.2 diese gespeicherte Verformungsenergie im weiteren Kollisionsprozeß das Fahrzeug in entgegengesetzter Richtung wieder beschleunigt (3), und
  • 2.1.3 sich das Fahrzeug selbständig vom Kollisionskörper wieder ablöst (4).

3. Verformbarer Aufprallschutz nach Patentanspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

• 3.1 daß die Außenhaut bezüglich Form und Reibung so beschaffen ist (Figur Nr. 3),
  • 3.1.1 daß sie in Draufsicht oder, sowohl in Draufsicht als auch in Seitenansicht, ellipsenförmig oder ellipsenahnlich ist (2),
  • 3.1.2 daß ihre Reibung nach außen hin gering ist,
• 3.2 daß der Fahrzeugkörper (1) im Fall einer schrägwinkeligen Kollision mit einem starren, unbeweglichen Kollisionskörper (4) vom Ort der Kollision (5) abgelenkt wird, indem
  • 3.2.1 beim Aufprall die Außenhaut am Kollisionskörper abgleitet,
  • 3.2.2 die Stoßkraft (6) des Kollisionskörpers auf die Außenhaut - die Vektorsumme aus Normalkraft und tangentialer Gleitreibungskraft - auf die Außenhaut wirkt,
  • 3.2.3 diese Stoßkraft - übertragen durch die Aufhängung (3) - ein Dreh­ moment (7) auf den Fahrzeugkörper ausübt,
  • 3.2.4 dieses Drehmoment - bedingt durch den formabhängigen Wirkungsort und die reibungsabhängige Wirkungsrichtung der Stoß­ kraft - kollisionsabweisend ist,
  • 3.2.5 das heißt das Fahrzeug auf eine Kurvenbahn zwingt, die es vom Kollisionskörper weglenkt (8) und an ihm vorbeiführt (9),
• 3.3 so daß sich der Kollisionsprozeß selbstregelnd beendet, indem
  • 3.3.1 sich das Fahrzeug rollend wieder vom Kollisionskörper ablöst (10),
  • 3.3.2 wobei der Hauptanteil der Bewegungsenergie vor der Kollision erhalten geblieben ist.

4. Verformbarer Aufprallschutz nach Patentanspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

• 4.1 daß die Konstruktion in Leichtbauweise vorgenommen wird, indem
  • 4.1.1 die federnde Eigenschaft der Haut durch ein rein zugbelastetes System von federnden Verbindungselementen zum Fahrzeugkörper hin erzeugt wird,
  • 4.1.2 die Haut selbst somit einen abgespannten Bogen darstellt.

5. Verformbarer Aufprallschutz nach Patentanspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

• 5.1 daß durch eine Kombination seiner federnden und dämpfenden Eigenschaften im Kollisionsfall ein Teil der Bewegungsenergie absorbiert wird,
• 5.2 daß diese Kombination in den einzelnen Bereichen des Aufprallschutzes unterschiedlich gewählt ist,
• 5.3 daß daher für Kollisionen aus verschiedenen Richtungen ein spezifisches - gemischt absorbierendes und federndes - Verhalten erzielt wird.