DE2439760A1

DE2439760A1 - Stossdaempfungsvorrichtung

Info

Publication number: DE2439760A1
Application number: DE2439760A
Authority: DE
Inventors: Goete Allan Carlsson; Erik Goeran Wastenson
Original assignee: Hoganas AB
Current assignee: Hoganas AB
Priority date: 1973-08-22
Filing date: 1974-08-20
Publication date: 1975-03-20
Also published as: JPS5049571A; SE7311391L; FR2241726B1; GB1469462A; FR2241726A1; IT1017738B; US3913707A

Description

Die Erfindung betrifft eine Stoßdämpfungseinrichtung insbesondere eine solche zur Auffangung einer großen Energiemenge. Die Aufgabe der Erfindung ist im besonderen eine Stoßdämpfungsvorrichtung vorzusehen, die in Kraftfahrzeugen und anderen Fahrzeugen zur Herabsetzung des gefährlichen Effektes eines Zusammenstoßes auf,die Fahrgäste dient. ."""

Stoßdämpfungsvorrichtungen in Kraftfahrzeugen haben in" Verbindung mit den neuen Empfehlungen der amerikanischen und europäischen Behörden auf dem Gebiet der Sicherheits-

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Postsdiedt: Frankfurt/Main 4763-60Ϊ Bank ι Dresdner Bank AG, Wiesbaden. Konto-Nr. 276807

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motorfahrzeuge laufend Bedeutung gewonnen. Beispielsweise wird von einem später als 1973 hergestellten amerikanischen Fahrzeug erwartet , daß es in der Lage ist, einer Kollision bei einer Geschwindigkeit von 8 km/h ohne übermäßige Schaden zu wiederstehen. Diese kritische Geschwindigkeit wird wahrscheinlich für nach 1975 hergestellte Fahrzeuge auf 16 km/h angehoben werden. Als Richtlinie für zukünftige Sicherheitsmotorfahrzeuge hat die National Highway Traffic Safety Administration (NATSA) in den Vereinigten Staaten von Amerika angegeben, daß Fahrgäste und Fahrer des Wagens der Zukunft nicht durch einen Druck bei einem Zusammenstoß bei einer Geschwindigkeit von 80 km/h verletzt werden sollen.

Die Folgenden Forderungen gelten für ein Stoßdämpfungssystem:

1. Die Bewegungseneigie ist in der kürzest möglichen Verzögerungslänge aufzufangen, ohne daß die Verzögerung höher als ein gewisser Wert, beispielsweise die maximale Verzögerung ist, die der menschliche Körper vertragen kann·

2. Die Bewegungsenergie soll von dem Stoßdämpfungssystem soweit wie möglich aufgenommen werden, während andere Teile des Fahrzettges intakt bleiben.

3. Die Herstellungskosten sollen niedrig sein.

Die Hauptteile der meisten Stoßdämpfungsvorrichtungen bestehen aus einem beweglichen Snergieübertragungsteil, nachstehend als Kolben bezeichnet, und einem festen Teil mit

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einem Material, das Energie absorbiert, wenn es durch den Kolben, zusammengepreßt wird» Um der ersten obigen Forderung zu entsprechen, soll die Verzögerung über die ganze Verzögerungslänge konstant sein. Diese Forderung macht es unmöglich, eine einfache Stoßdämpfungsvorrichtung zu konstruieren, in der das Energie aufnehmende Material in der selben Richtung deformiert wird, wie sich der Kolben bewegt. In einem solchen Fall wäre es unmöglich eine konstante Verzögerung zu erlangen. Die Erfindung beruht auf dem Gedanken, daß der Kolben, wenn er ±tt das Energie absorbierende Material getrieben wird, dieses Energie absorbierende Material in einer Richtung senkrecht zur Kolbenbewegung deformieren soll.

Die Stoßdämpfungsvorrichtung gemäß der Erfindung weist ein Energie absorbierendes Glied, das aus einem porösen Metallkörper besteht, und einen konischen oder keilförmigen Kolben auf der zur Deformierung des porösen Metallkörpers in einer Richtung senkrecht zur Bewegungsrichtung des Kolbens dient, wenn dieser in das Energie absorbierende Glied getrieben wird. Vorzugsweise soll der poröse Metallkörper aus gesintertem Eisen oder Stahlpulver bestehen. Beispielsweise kann Schwammeisen zu einem Pulver vermählen werden, das auf die gewünschte Gestalt geformt und bei einer Temperatur von ungefähr

110€> <3 gesintert wird. Wenn das Pulver ohne Verdichtung verfonnt wird, so wird der gesinterte Körper einer Dichte von ti_#8 bis 3|0 g/cm haben« Venn das Pulver während

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seiner Verformung verdichtet wird, kann die Dichte des gesinterten Körpers auf 3_t O bis 6,0 g/cm ansteigen.

Eine Ausführungsform der Erfindung die als Stoßdämpfungsvorrichtung für ein Fahrzeug geeignet ist, umfaßt ein Gehäuße, Einrichtungen zur Befestigung des Gehäuses an einem ersten Teil des Fahrzeuges,ein Energie absorbierendes Glied bestehend aus einem porösen Metallkörper in dem Gehäuse, einen Kolben, Einrichtungen zur Befestigung des einen Kolbenendes an einem zweiten Teil des Fahrzeuges ■während das andere Kolbenende in das Gehäuse ragt, wobei dieses andere Kolbenende einen sich erweiterndem Teil in Kontakt mit dem Energie absorbierenden Glied besitzt, so daß es das Energie absorbierende Glied seitlich verdichtet, wenn die beiden Teile des Fahrzeuges sich nach einem Zusammenstoß einander nähern und der Kolben in das Gehäuse getrieben wird.

Bei einer zweiten Ausführungsform der Erfindung besitzt das in das Gehäuse ragende Kolbenende zusätzlich einen Abschnitt von beträchtlich kleinerem Querschnitt als der des Gehäuses,der zum Eindringen in das Energie absorbierende Glied dient, wenn der Kolben in das Gehäuse getrieben wird.

Bei einer dritten Ausführungsform der Erfindung besitzt der poröse Metallkörper eine sich in Längsrichtung durch das Energie absorbierende Glied erstreckende Öffnung und das in das Gehäuse ragende Kolbenende einen ersten äußersten Teilt der in die Längsöffnung des Energie absorbierenden

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Gliedes preßt, einen zweiten Teil von größerem Querschnitt als die Längsöffnung aber kleinerem Querschnitt als das Energie absorbierende Glied und einen sich erweiternden 3. Teil zwischen dem ersten und dem zweiten Teil der das Energie absorbierende Glied seitlich verdichtet, wenn der Kolben nach einem Zusammenstoß zur Eindringung in das Energie absorbierende Glied getrieben wird.

Nachstehend werden vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben.

Figur 1 und 2 erläutern die Verzögerung R als Punktion der Verzögerungslänge L. Figur 3 zeigt eine in einem Kraftfahrzeug zu benutzende Ausführungsform der Erfindung. Figur k- zeigt einen Teil der Figur 3 in größerem Maßstab. Figur 5 erläutert eine andere an einem Kraftfahrzeug zu benutzende Ausführungsform·

Figur 1 zeigt einen Vergleich zwischen der idealen Energieabsorption , Linie 1, mit konstanter Verzögerung (R₂} und einem praktischen Fall, Linie 2, mit derselben während derselben Verzögerungslänge absorbierten Energiemenge. Die von den beiden Linien und den Koordinatachsen umgrenzten Flächen sind von gleicher Größe,und die Größe der Fläche . ist ein Maß der durch das System absorbierten Energie. Vie aus Figur 1 ersichtlich,erhält man in dem praktischen Fall eine sehr hohe maximale Verzögerung R₁ im Vergleich zu cer konstanten Verzögerung R„ im idealen Falle. Die

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durch Linie 1 begrenzte Verzögerung ist im Falle eines Fahrzeugzusammenstoßes für einen Fahrgast erträglicher als die durch Linie 2 definierte Verzögerung.

Figur 2 zeigt die absorbierte Energie, wenn ein poröses Metallmaterial in Richtung des Prallstoßes., Linie 3, und in Richtung senkrecht zu diesem Prallstoß, Linie 4, verdichtet wird. Dabei haben beide dieselbe maximale Verzögerung, R , und dieselbe Verzögerungslänge L₁ · Die durch Linie 3 bestimmte gestrichelte Fläche ist ein Maß der durch die Verdichtung in Richtung der Kolbenbewegung absorbierten Energie, wobei die Verzögerung auf

höchstens R begrenzt ist. Die von der Linie k und max

der L-Achse umgrenzte F.läche erläutert die durch Verdichtung senkrecht zur Richtung der Kolbenbewegung absorbierte Energie, wenn die höchste zugelassene Ver— zögerung R ist. Die in diesem Falle absorbierte Energiemenge ist,wie aus der Figur ersichtlich, beträchtlich höher als im Falle, daß die Verdichtung in Richtung der Kolbenbewegung durchgeführt wird. Die Energieabsorbtionskurve h ist sehr ähnlich der idealen Kurve 1 in Figur 1.

Eine für ein Kraftfahrzeug brauchbare Stoßdärapfungseinrichtung ist in Figur 3 und k dargestellt. Die Vorrichtung weist ein rohrförmiges Gehäuse 5 mit einem Ansatz zur Befestigung am Kre.ftfahrzeugrahmen auf. Das eine Ende des rohrförmigen Gehäuses ist durch eine Stirnwand 7 ab-

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geschlossen und das andere Ende des Gehäuses besitzt eine Stirnwand 8 mit einer zentrisehen Öffnung. Das Gehäuse 5 enthält einen porösen Metallkörper 9s der den Behälter mit Ausnahme eines leeren Raumes 10 dicht an der Sirnwand 9 ausfüllt. Der poröse Metallkörper 9 enthält eine zylindrische Höhlung 11, die sich über die Länge des Körpers erstreckt. Ein Stab oder Kolben 12 besitzt am einen Ende einen Ansatz 13 zu seiner Befestigung an der Stoßstange des Fahrzeuges. Das andere Kolbenende ragt in den Raum 10 des Gehäuses und besitzt einen kegSLigen Teil Tk _t der sich vom Durchmesser D₁ auf den Durchmesser D verengt. Das äußerste Ende 15 des Kolbens besitzt den Durchmesser D₂ und paßt in die Höhlung 11 des porösen Metallkörpers 9·

Bei einem Zusammenstoß treibt die Stoßstange des Fahrzeuges den Kolben 12 in den porösen Metallkörper 9· Der kegelige Teil 14 verdichtet das porSse Metall in Querrichtung, was bedeutet, daß ein Element vom Volumen V₁ auf das Volumen V_ zusammengepreßt wird. Es erfolgt eine kontinuierliche Deformierung des porösen Metalles während der ¥anderung des kegeligen Teiles lh durch den porösen Metallkörper 9 mit der Folge einer Verzögerung von der durch Linie k in Figur 2 erläuterten Art. Das äußerste Endteil 15 dient als Führungszapfen. Stattdessen kann der Führungszapfen 15 die Form eines Kegels haben, wie dies beispielsweise durch die gestrichelte Linie 16 in Figur h angedeutet ist. In diesem Fall kann

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der Durchmesser der Höhlung 11 verringert werden, wie dies beispielsweise durch die Linien 17 in Figur" 4 zur Erläuterung einer Führttngshöhlung vom Durchmesser D~ dargestellt ist.

Der poröse Metallkörper wird bei einem Zusammenstoß zerstört und muß ausgetauscht werden. Deshalb ist es zweckmäßig, daß der poröse Körper nicht deformiert wird, wenn der Wagen bei sehr niedriger Geschwindigkeit zusammenstößt. Aus diesem Grunde wird die Stoßdärapfungs vorrichtung ,.nach der Erfindung vorzugsweise mit einem üblichen Stoßdämpfer kombiniert, der auf Zusammenstöße von niedriger Geschwindigkeit auf elastische Weise anspricht· Ein solcher üblicher Stoßdämpfer kann ein Federglied enthalten oder pneumatischer oder hydraulischer Art sein. Figur 5 erläutert eine solche kombinierte Stoßdämpfungseinrichtung· Sie besitzt ein Gehäuse 20, daß einen porösen Metallkörper mit einer Steuerhöhlung 22 und einem Kolben 23 mit einem konischen Teil 24 und einem Führungsansatz 25 enthält. Alle diese Teile sind denen,die in Verbindung mit Figur 3 und 4 besprochen wurden,mehr oder weniger ähnlich. Das äußere Ende des Kolbens 23 ist mit einer Öffnung 26 versehen, die ein Federglied 27 enthält. Ein Stab 23 ragt mit seinem einen Ende in die Höhlung 26, wenn das andere Ende mit einer Einrichtung 29 zu seiner Befestigung an der Stoßstange eines Kraftfahrzeuges versehen ist. Die bei einem geringfügigen Zusammenstoß er-

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zeugte Kraft wird in elastischer Weise von dem Federglied 27 aufgenommen. Sin Zusammenstoß bei höherer Geschwindigkeit preßt zunächst das Federglied 27 zusammen, und anschließend beginnt der Kolben 23 seine Bewegung in das Gehäuse 20 unter Deformierung des porösen Metallkörpers in der oben beschriebenen Weise.

Es versteht sich aus der Beschreibung der Figuren 3 und h, daß der Deformierungsgrad des porösen Metallkörpers 9 leicht geregelt werden kann, indem man entweder den Durchmesser D im Verhältnis zu dem des porösen Metallkörpers 9 oder das Verhältnis von D₁ zu D abwandelt. Es ist zweckmäßig, daß der poröse Metallkörper nach seiner Verdichtung durch den Kolben eine Porosität von mindestens 5 Volumprozent,vorzugsweise von 10 bis 20 Volumprozent, besitzt. Die Porosität vor der Verdichtung beträgt vorzugsweise 25 bis 75 Volumprozent.

Die vorstehend beschriebene Vorrichtung enthält einen einzigen Körper aus porösem Metall. Im Rahmen der Erfindung kann jedoch auch ein Gehämse mit zwei oder mehreren porösen Metallkörpern vorgesehen werden. Diese Körper können beispielsweise die Form von zwei durch einen engen Zwischenraum, der als Führungshöhlung dient, getrennte Platten haben. Der Kolben kann Keilfqrm haben, und die Kante des Keils kann als Führungsansatζ dienen, der in diese Fülirungshöhlung eingreift.

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Beispiel 1

Eine Stoßdämpfungseinrichtung ist in Figur 3 und 4 erläutert. Sie enthielt einen porösen Eisenkörper, der bei 1120 C eine Stunde lang auf eine Dichte von 2 g/cnr gesintert worden war. Der Durchmesser des porösen Eisenkörpers betrug 60 mm. Der Durchmesser der zentrischen als Führungsbahn dienenden Öffnung betrug 4 mm. Die Länge des kegeligen Teiles 14 betrug 5»5 mn» so daß also die Kegelfläche einen Winkel von 45 mit der Bewegungsrichtung bildete. Es wurde festgestellt, daß eine Kraft von 12,8 kN (kilonewton) erforderlich war, um den Kolben durch den porösen Eisenkörper mit konstanter Geschwindigkeit zu pressen, und diese Kraft blieb während der ganzen Kolbenbewegung durch den porösen Eisenkörper konstant.

Beispiel 2

Die in Beispiel 1 benutzte Vorrichtung enthielt einen porösen Sisenkörper, der auf eine Dichte von 4 g/cra verdichtet und gesintert worden war. Es zeigte sich, daß eine konstante Kraft von 158 kN erforderlich war, um den Kolben durch den porösen Eisenkörper hindurchzupressen. Offenbar kann der Verzögerungseffekt der Vorrichtung innerhalb weiter Grenzen verändert werden, indem man die Dichte des porösen Metallkörpers abwandelt.

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In den Beispielen 1 rind 2 war auf dem Kolben ein Schmiermittel aufgebracht worden. Die Verzögerungskraft nimmt zu, wenn dieses Schmiermittel fortgelassen wird, aber die ideale Form der Verzögerungskurve bleibt erhalten·

Beispiel 3

Drei Stoßdämpfungsvorrichtungen der im Beispiel 2 beschriebenen Art wurden zwischen der vorderen Stoßstange und dem Rahmen eines 12oo kg wiegenden Kraftfahrzeuges montiert. Jede Vorrichtung.hatte eine Verzögerungskraft von 158 kN, und das ganze hatte infolgedessen eine Vereögerungskraft von ^7^· kN· Die, Verzögerungskraft führte zu einer Verzögerung von kO g bei einem Zusammenstoß, was die höchste für den Menschen erträgliche Verzögerung ist· Wenn der "Wagen mit einer Geschwindigkeit von 80 km/h zusammenstößt, hat er eine kinetische Energie von 296 kJ (kilojoule)· Wenn die Stoßdämpfer in der Lage sein sollen, die ganze kinetische Energie zu absorbieren, müssen sie eine Länge von 296 : hjk = 0,63 nt haben.

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Claims

Pa tentansprüche

1.jStoßdämpfungsvorrichtung, gekennzeichnet durch ein Energie absorbierendes Glied, bestehend aus einem porösen Metallkörper und einem kegelförmigen oder keilförmigen Kolben, der den porösen Metallkörper in einer Richtung senkrecht zur Bewegungsrichtung des Kolbens deformiert, wenn er in das Energie
absorbierende Glied hineingetrieben wird.

2·Stoßdämpfungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der poröse Metallkörper aus
gesintertem Eisen oder Stahlpulver besteht.

3. Stoßdämpfungseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der gesinterte Eisen- oder
Stahlkörper eine Dichte von 1,8 bis 6,0 g/cm hat.

k» Stoßdämpfungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der poröse Metallkörper eine Längshöhlung besitzt, die als Führungsbahn für den Kolben dient, und der Kolben einen in diese Führungsbahn eingreifenden Führungszapfen besitzt.

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5. Stoßdämpfungsvorrichtung für ein Fahrzeug nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein das Energie absorbierende Glied und den Kolben aufnehmendes Gehäuse mit Einrichtungen zu dessen Befestigung an einem ersten Teil des Fahrzeuges und Einrichtungen zur Befestigung des einen Kolbenendes an einem zweiten Teil des Fahrzeuges, wobei das andere in das Gehäuse ragende Kolbenende einen sich erweiternden Teil in Kontakt mit dem Energie absorbxerenden Glied besitzt»

6. Vorrichtung nach· Anspruch 3t dadurch gekennzeichnet, daß das in das Gehäuse ragende Kolbenende einen beträchtlich kleineren Querschnitt als der des Gehäuses besitzt und in der Lage ist, das Energie absorbierende Glied bei einem Zusammenstoß zu durchdringen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der poröse Metallkörper eine sich in Längsrichtung erstreckende Höhlung aufweist und das in das Gehäuse ragende Kolbenende einen ersten äußersten Teil, der in die Längshöhlung des Energie absorbxerenden Gliedes paßt, einen zweiten Teil von einem größeren Querschnitt als die Längshöhlung aber kleiner als das Energie absorbierende Glied und einem dritten sich erweiterndem Teil zwischen dem ersten und dem zweiten Teil aufweist.

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8. Stoßdämpfungsvorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch ein elastisches Stoßdämpfungsglied zur Aufnahme der Energie bei einem Zusammenstoß von niedriger Geschwindigkeit.

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