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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Absorption von
Stoßenergie.
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Diese
Vorrichtung findet ihre Anwendung insbesondere im Kraftfahrzeugbereich.
Sie wird vorzugsweise in den Fahrzeugtüren eingebaut, kann aber gleichermaßen in anderen
Fahrzeugteilen angeordnet werden, wo sie die energieabsorbierende Kraft
des Fahrzeuggerüsts
(Armaturenbrett, Mittelkonsole) ergänzt.
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Aus
der
EP 0 863 056 A1 ist
eine derartige Vorrichtung bekannt, die eine bestimmte Dicke aufweist
und aus einer Grundplatte besteht, auf der sich mehrere hohle stoßabsorbierende
Elemente erheben, die der Verformung durch Stoß Widerstand entgegensetzen
und die konisch geformt sind.
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Diese
bekannte Vorrichtung kann jedoch nicht die gesamte Energie absorbieren,
mit der zu rechnen ist. Insbesondere ist es nicht vorgesehen, die
Gesamtwiderstandskraft zu verringern und diese Druckschrift lehrt
auch nicht, welche Mittel die Stoßabsorption angesichts der
damit verbundenen Kraftkurve optimieren könnten.
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Um
dieses Problem zu lösen,
schlägt
die vorliegende Erfindung vor, daß die Größencharakteristika wenigstens
einiger stoßabsorbierender
Elemente unterschiedlich sind, so daß gegenüber einer gedachten gemeinsamen
Bezugsebene der Elemente jedes einzelne Element einen maximalen
Deformationswiderstand, der einer bestimmten Deformationshöhe entspricht
aufweist, wobei diese Deformationshöhe zwischen wenigstens einigen
Elementen unterschiedlich ist, um die gesamte maximale Widerstandskraft
zu reduzieren.
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Dabei
wird als Deformationshöhe
der Unterschied zwischen der bestimmten Dicke der Vorrichtung und
der Höhe
eines bestimmten stoßabsorbierenden
Elemente bestimmt. Die gedachte mittlere Ebene ist daher eine Referenzhöhe, die
allen stoßabsorbierenden
Elementen gleich ist, ab der man das Eindrücken dieses oder jenes Elements
berechnet.
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Da
alle Elemente in Funktion ihrer Verformungshöhe die im wesentlichen gleichen
Widerstandskurven aufweisen, besteht die Gefahr eines im wesentlichen
gleichzeitigen Einknickens. In dem die Struktur- oder Größencharakteristika
der Elemente verändert
werden, verringert man auf einfache Weise diese Gefahr des gleichzeitigen
Einknickens.
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Die
Veränderung
der Widerstandskraft gegen Verformung eines bestimmten Elements
in Funktion seiner Verformung stellt im allgemeinen einen raschen
Anstieg auf ein Maximum dar, auf das ein wellenförmiger Verlauf folgt. In dem
man für
wenigstens einige Elemente die Verformungshöhe, an der sie das Maximum
erreichen, verändert,
wird die Gesamtwiderstandskraft verringert. Die Elemente knicken dadurch
nicht gleichzeitig ein und, dies gilt auch für die Vorrichtung, behalten
ihre Wirksamkeit unterhalb des Maximums.
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Gemäß einem
Merkmal der Erfindung besitzt jedes Element vor dem Stoß eine bestimmte
Höhe (d. h.
eine Nominalhöhe)
und unterscheidet sich in dieser Höhe wenigstens von einigen anderen
Elementen. Man hat in der tat festgestellt, daß Elemente unterschiedlicher
Höhe das
Problem des gleichzeitigen Einknickens deutlich vermindert.
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Weitere
wichtige Charakteristika der Erfindung sind:
- – daß jedes
Element eine Wandstärke
oder ein Wandstärkenprofil
aufweisen kann, das sich von denen einiger anderer Elemente unterscheidet,
- – daß jedes
Element wenigstens einen Konuswinkel aufweist, das sich von dem
Winkel oder von den Winkeln einiger anderer Elemente unterscheidet.
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Es
ist festgestellt worden, daß solche
Varianten in Stärken
und Winkeln der kegelstumpfförmigen Elemente
die Bestimmung des Widerstands der Elemente, sei es um diese zu
erhöhen
oder sei es um diese herabzusetzen, erleichtert.
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Da
die Wandstärke über dies
gesamte Höhe eines
Elements nicht gleich ist, soll im folgenden von Wandstärkenprofilen
die Rede sein.
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Gemäß eines
anderen Merkmals der Erfindung sind die stoßabsorbierenden Elemente vorzugsweise
in einer regelmäßigen Struktur
angeordnet. Es ist in der Praxis vorteilhaft, ein solches regelmäßiges Motiv
in jedem Teilbereich der Vorrichtung zu wiederholen, um identische
oder vergleichbare Widerstandscharakteristika zu erhalten.
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Um
einen vorteilhaften Verformungswiderstand zu erhalten und die Probleme
der mechanischen Festigkeit der kegelstumpfförmigen Elemente zu vermeiden,
sieht ein anderes vorteilhaftes Merkmal der Erfindung vor, daß die Grundplatte
und die stoßabsorbierenden
Elemente einstückig
aus Kunststoff gespritzt werden.
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Vorzugsweise
sind wenigstens einige der stoßabsorbierenden
Elemente an ihren freien Enden abgestumpft und weisen eine Abschlußwand auf, wobei
wenigstens einige der stoßabsorbierenden Elemente
an diesen Enden innen mit einer zweiten Wand versehen sind, die
sich von der Abschlußwand nach
unten in den Hohlraum des jeweiligen stoßabsorbierenden Elements erstreckt.
Dies ermöglicht eine
weitere, verbesserte Kontrolle es Deformationswiderstands und die
Glättung
der Kurve der Kräfteabsorption.
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Die
innere, zusätzliche
Wand erstreckt sich vorzugsweise von der Abschlußwand des Elements aus nur über einen
Teil h von dessen Höhe
und besitzt im wesentlichen eine stumpfkegelige Form, die sich von
der Abschlußwand
aus nach unten in Richtung des größten Durchmessers der Außenwand
verjüngt,
wobei sich die Neigungen der Außenwand
und der Innenwand des Elements so verhalten, daß beim Verformen des Elements
das Einknicken der Außenwand
durch die zusätzliche
Innenwand aufgehalten wird.
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Während daher
die Außenwand
einknickt, wird sie sich gewissermaßen auf dem inneren Haltekonus
abstützen.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausführung
der Erfindung sind die Basisflächen
mit dem größten Querschnitt
wenigstens einiger stoßabsorbierender
Elemente durch eine Wand aus Kunststoffmaterial miteinander verbunden,
die sie örtlich
umgibt, wobei sich die Wand entlang einer nicht planen Fläche erstreckt,
so daß sich
die Basisflächen
im großen
und ganzen kurvig ausdehnen.
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Dieses
Merkmal begünstigt
die Widerstandskraft der gesamten Vorrichtung, indem vor allem unterhalb
des Maximums noch eine Widerstandskraft aufrechterhalten wird.
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Im
folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen beispielhaft
näher beschrieben.
Es zeigen:
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1 eine
schematische Perspektivansicht eines erfindungsgemäßen stoßabsorbierenden
Elements;
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2 einen
Teilschnitt einer Ausführungsform;
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3 einen
vergrößerten Teilschnitt
einer anderen Ausführungsform;
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4 einen
noch weiter vergrößerten Teilschnitt
einer weiteren Ausführungsform;
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5 Kurvendarstellungen,
die die Veränderung
der Widerstandskraft gegen die Verformung eines oder mehrerer stoßabsorbierender
Elements in Funktion der Verformungshöhe zeigen;
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6 eine
schematische Perspektivansicht einer inneren Türverkleidung mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Absorption von Stößen;
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7 eine
vergrößerte Perspektivansicht der
stoßabsorbierenden
Vorrichtung von 6;
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8 eine
Perspektivdarstellung einer anderen Ausführungsform der Erfindung;
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9 einen
Teilschnitt entlang der Linie IX-IX von 8, wobei
die getrichelten Linien ein abgestütztes Einknicken eines stoßabsorbierenden Elements
zeigen.
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1 zeigt
eine erfindungsgemäße Ausführungsform
einer stoßabsorbierenden
Vorrichtung 1. Diese Vorrichtung besteht aus einer Grundplatte 3, auf
deren einer Seite sich eine Mehrzahl stoßabsorbierender Elemente 51–58 erhebt.
Die Vorrichtung 1 ist einstückig aus Kunststoff hergestellt,
beispielsweise aus einem niedermolekularen Polyethylen. Andere Materialien,
die allein oder in Kombination verwendet werden können sind
beispielsweise hochmolekulares Polyethylen, Polypropylencopolymer
PP/PE, EPDM und so weiter.
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Das
ausgewählte
Material sollte bei einer erhöhten
Beanspruchungsgeschwindigkeit (von etwa 100s–1)
und bei normalen Temperaturen von zwischen –30 und +80°C seine Zähigkeit behalten.
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Die
oben und weiter unten angegebenen Materialien können insbesondere für einen
Bereich zur Stoßabsorption
in einer Innentürverkleidung
verwendet werden, um für
einen Insassen des Kraftfahrzeugs einen Beckenschutz zu gewährleisten.
In diesem Fall soll das Elastizitätsmodul bei quasistatischen
Belastungen bei 23°C
vorteilhafterweise zwischen etwa 300 MPa und 1300 MPa betragen,
mit einer Elastizitätsgrenze
von zwischen 10 MPa und 25 MPa. Die Vorrichtung 1 ist vorzugsweise
in einem Stück
durch Spritzguß hergestellt.
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Aus 1 ist
zu erkennen, daß die
stoßabsorbierenden
Elemente 51 bis 58 jeweils konisch geformt sind,
genauer gesagt stumpfkegelig, wobei sich ihre größere Basis, z. B. 5a beim
Kegel 51, näher
bei der Grundlage 3 liegt, während ihre oberen freien Enden,
z. B. 5b beim Kegel 51, eine Wand bilden, die
im wesentlichen parallel zu der Grundplatte 3 verläuft. Die
Kegel 51–58 weisen
jeweils Abstände
zwischen sich auf.
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Wie
aus den 2, 3 und 4 zu
erkennen ist, sind die Elemente hohle Ausbuchtungen die offen sein
können
(2) oder durch eine Rückwand 7 abgeschlossen
sein können
(3 und 4), die mit der Grundplatte
verbunden ist. Insbesondere in 2 ist zu
erkennen, daß die
Elemente 511, 512, 513, 514 verschiedene
Größencharakteristika
aufweisen. Die Elemente 512 und 513 sind identisch,
jedoch unterscheiden sie sich von den Elementen 511 und 514,
die selbst wiederum unterschiedlich sind.
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In 1 sind
die Elemente 51, 52, 55, 56 und 57 identisch,
was Struktur und Größe betrifft, ebenso
wie die Elemente 53 und 58, während sich beide Gruppen von
Elementen wenigstens in der Höhe
von dem Element 54 unterscheiden.
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Die
Höhenunterschiede
dieser hohlen, stoßabsorbierenden
Elemente ist ein wichtiges Merkmal der Erfindung, da die stoßabsorbierenden
Elemente in ihrer Struktur bei ihrer Verformung erste einen raschen
Kraftanstieg und dann eine wellenförmige Kraftaufnahme zulassen
sollen, die zwischen oberen und unteren sogenannten biomechanischen
Grenzwerten liegen. Bekanntermaßen
liegen diese Grenzwerte etwa zwischen 2 × 105 Pa
und 106 Pa. Der Stoß kann gemäß 1 von vorne
(F) oder von hinten (F') erfolgen.
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Um
die Stoßabsorption
zu regeln werden erfindungsgemäß vor allem
drei Größencharakteristika in
Betracht gezogen: Höhe
der Elemente, Wandstärken
und Konuswinkel. Die Höhe
scheint das wichtigere Merkmal zu sein, obwohl natürlich alle
gemeinsam Anwendung finden können
und weitere Mittel zur Beherrschung der Struktur eingesetzt werden
können, wie
zum Beispiel örtliche
Schwächungen,
Sollbruchstellen und dergleichen.
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2 zeigt
drei besonders vorgezogene Lösungen,
Unterschiede in der Höhe,
der Wandstärke und
der Neigung. So entspricht die Gesamthöhe H1 der
Vorrichtung der des Kegelstumpfes 514, während das
Element 511 eine geringere Höhe H2 aufweist und
die Elemente 512 und 513 zwar gleich hoch sind, jedoch
eine noch geringere Höhe
H3 aufweisen. Die Elemente 511 und 514 besitzen
eine durchgehende Wandstärke
e1, die der Wandstärke der Grundplatte 3 entspricht.
Im Gegensatz dazu weisen die Stumpfkegel 512 und 513 eine
höhere
durchgehende Wandstärke
e2 auf. Man hätte auch einzelne Elemente
mit verschiedenen. Wandstärken
versehen können,
die sich zum Beispiel von oben nach unten verdickt. Es ist weiter
zu sehen, daß die
Neigung der Elemente 512, 513 und 514 gleich
ist (Winkel α)
und die Neigung des Elements einen anderen, größeren Winkel β aufweist.
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In 3 weisen
die zwei stoßabsorbierenden
Kegel 521 und 522 eine unterschiedliche Höhe auf,
sind jedoch, was die anderen Charakteristika betrifft, strukturell
und größenmäßig gleich.
Sie sind durch einen Durchgang 9, der eine Luftzirkulation zwischen
den Elementen zuläßt, miteinander
verbunden. Wenn sie daher durch einen Stoß (im Sinne des Pfeils F von 1)
verformt werden, wird die in den Elementen befindliche Luft zusammengedrückt und strömt bei der
Deformierung des höheren
Elements 521 durch den Durchgang 9 in das niedrigere
Element 522, das zu diesem Zeitpunkt noch nicht eingedrückt ist.
Selbstverständlich
können
mehrere Elemente miteinander verbunden sein.
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Das
in 4 dargestellte Element 531 besitzt ein
Ventil 11, das so bemessen ist, daß ein kontrolliertes Entweichen
des Fluids (meistens Luft) aus dem Inneren des Elements mit seiner
Rückwand 7 möglich ist.
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5 zeigt
drei Kurven A, B, C die die Unterschiede des Deformationswiderstands
(Kraft F) in Funktion der Deformierung E zeigen, wobei die Kurven
die Bedingungen für
die Elemente 52, 54 und 53 von 1 zeigen.
Es ist festzustellen, daß das
Widerstandsmaximum des Elements 52 (dies gilt auch für die Elemente 51, 55, 56 und 57)
bei einer Kraft von etwa 3800 Newton liegt und zwar nach einer Verformung
E (gemessen von der Nominalhöhe
vor dem Stoß)
von etwa 3 cm. Die Kurve D stellt die Kumulation der Kurven A, B,
C dar, d. h. die resultierende Kraft die sich durch die Deformationshöhen der drei Elemente 52, 54 und 53 zusammen
betrachtet der Deformation entgegenstellt. Durch Extrapolation könnte man
eine Kurve der Gesamteffekte der Elemente von 1 erstellen.
In jedem Fall zeigen die Kurven von 5, daß die Kurvencharakteristik
Kraft (Druck)/Höhe
der Deformation einer hohlen, konischen Struktur in ihrer Hauptentwicklungsachse,
wie die Achse 13 für
das Element 52 in 1 ein erste Peak
erreicht, gefolgt von einem Abfall an die sich eine im wesentlichen
horizontale Linie anschließt.
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Wenn
man übrigens
die Kurven A, B, C und D vergleicht, so ist festzustellen, daß die Verwendung mehrere
Konusse, bzw. Gruppen von hohlen, stumpfkegeligen Elementen mit
unterschiedlichen Höhen,
Wandstärken
und Neigungswinkeln es erlaubt, mit einer Kurve (wie in etwa D),
die eine flache Kraftwelle und einen raschen Kraftanstieg darstellt, eine
Kompensation von Peaks und Abfällen
zu erreichen, die man für
jedes Element einzeln feststellen kann.
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Die
Höhe der
stoßabsorbierenden
Elemente liegt vorzugsweise bei zwischen 30 mm und 150 mm, wobei
die Wandstärke
zwischen 1 mm und 4 mm beträgt
und der Neigungswinkel (α oder β) ungefähr zwischen
5° und 30°, vorzugsweise
etwa 15° aufweist.
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Um
die Luft während
der Deformation eines Elements kontrolliert entweichen zu lassen,
könnte man
statt einer Öffnung
ebenso eine örtliche Schwachstelle
in der Wand vorgesehen werden, wobei sich das Ventil durch Bruch
der Schwachstelle während
der Verformung bildet.
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6 zeigt
eine Anwendung der stoßabsorbierenden
Vorrichtung in einer Fahrzeugtür 10,
wobei die Vorrichtung (bei 20), da verdeckt durch die Verkleidung,
gestrichelt gezeichnet ist. 7 zeigt
ein Beispiels dessen, was die Vorrichtung 20 nach 6 sein
könnte.
Es handelt sich um eine Platte, wie in 1 gezeigt,
die man verdoppelt hat, wobei zu erkennen ist, daß das Muster
der Elemente 51–58 sich wiederholt,
um einerseits die Vorrichtung 20 für diese tiefer liegende Partie
der Tür
zu schaffen und andererseits die biomechanischen Bedingungen zu
beachten, die über
die Fläche
gleich sind.
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Die
oberen oder unteren Flächen
der Elemente können
schief oder geneigt ausgerichtet sein. Dies ist bei der Vorrichtung
der Falle, die in 8 dargestellt ist. Diese Vorrichtung 200 besteht
aus fünf Elementen 541, 542, 543, 544 und 555,
die sich auf einer Grundplatte 30 erheben, die aus Kunststoff
besteht und in die sie integriert sind, so daß ein einstückiges Kunststoffspritzteil
gebildet ist. Die Grundplatte verläuft entsprechend einer gewölbten Oberfläche, so
daß sich
die Basis 541a des Elements 541 sich über die
Grundplatte 30 entlang einer Fläche erstreckt, die selbst nicht
eben ist (9), was zusätzliche Möglichkeiten zur Kompensation
der Entwicklungskurve der Kräfte
ergibt.
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In 8 und 9 stellt
sich das freie Ende (wie 541b für das Element 541)
als schräg
abgeschnitten dar, was dem stoßabsorbierenden
Element eine stumpfkegelige Form verleiht, wie die auch bei den
anderen Elementen 542–555 er
Fall ist, wobei in dem gezeigten Beispiel die schrägen Abschlußwände (wie 542c und 543c für die Elemente 542 und 543) sich
in Ebenen erstrecken, die sich wenigstens für einige Elemente unterscheiden.
Es ist weiter festzustellen, daß die
beiden ringförmigen,
eine Öffnung umschließende Abschlußwände 542c und 543c größer sind,
als die der anderen Elemente. Diese Abschlußwände 542c und 543c sind
gegenüber
der Horizontalen geneigt (wie auch die der anderen Elemente) und
dienen dazu, die Außenwand
der Elemente (543d für
Element 543) mit einem inneren, umgedrehten Stumpfkegel 543e zu
verbinden, der sich in das hohle Innere des betreffenden Elements
erstreckt.
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Dieser
innere Stumpfkegel, der auch hohl ist, stellt sozusagen eine zusätzliche
Wand für
die Außenwand 543d dar.
Er erstreckt sich nur über
einen Teil der Höhe
h des betreffenden Elements 543 und verjüngt sich
in Richtung auf die Basis mit dem größten Durchmesser der Außenwand 543d.
Die Neigungen der Wände 543d und 543e sind übrigens
so ausgelegt, daß das
Einknicken der Außenwand 543d wie in 9 gestrichelt
gezeigt, durch die innere, als Abstützung dienende Wand gebremst
wird, wenn nicht sogar blockiert wird. Diese gewissermaßen umgekehrten
beiden hohlen stumpfkegeligen Strukturen ergänzen sich, um die Vorrichtung
unterhalb der aufgenommenen Maximalkraft (Peak) zu stabilisieren.
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Natürlich könnten die
Wände der
Elemente auch gewölbt
statt gerade verlaufen.
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In 8 ist
eine Kerbe 560 in der Spitze des stumpfkegeligen Elements
gezeigt, die als „Deformationsinitiator” wirken
soll, um die Hauptkraft, das Peak, beim Stoß abzumildern.
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Natürlich können eine
oder mehrere Kerben auch bei den doppelwandigen Elementen (542e, 543e)
vorhanden sein. In diesem Fall ist die Kerbe teilweise über die
Breite e der Abschlußwand
anzuordnen, wobei ein vollständiges
Schwächen
der Wand vermieden wird. Die Kerbe sollte sich nach außen öffnen und
an der Spitze des Elements angeordnet sind, um den ersten Stoß aufzufangen.