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TECHNISCHES GEBIET
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Diese
Erfindung betrifft Systeme zur Absorption von Aufprallenergie für Kraftfahrzeugkarosserien.
Genauer betrifft diese Erfindung solche Systeme, die Strukturen
mit Aufprallabsorptionsfähigkeiten
haben, die eingestellt (abgestimmt) werden können, damit sie zu den unterschiedlichen
Energieabsorptionsbedürfnissen
in unterschiedlichen Aufprallszenarien passen, und die nach Aufprallereignissen
mit relativ niedriger Geschwindigkeit/Energie zurückgeführt (geheilt)
werden können.
Das Energieabsorptionsmedium ist ein „aktives" Material mit Formgedächtnis und
Energieabsorptionseigenschaften, die durch einen mikrostrukturellen
Phasenübergang
verändert werden
können,
der durch eine Temperaturänderung induziert
ist.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Konstrukteure
von Kraftfahrzeugkarosserien suchen Strukturen, die der Karosserie
ermöglichen, Aufprallereignisse
bei niedriger Geschwindigkeit mit niedrigen Reparaturkosten zu absorbieren,
während sie
dennoch viel Energie aus Aufprallereignissen bei höherer Geschwindigkeit
absorbieren. Für
manche Fahrzeuganwendungen wurde der Gebrauch einer „Crash-Box" vorgeschlagen. Crash-Box
ist der Name, der auf dedizierte Energie-Management-Einheiten angewandt wird,
die zwischen den Stoßfängern und
den Längsholmen
eines Fahrzeugs angebracht sind und sie miteinander verbinden. Konzeptionell und
theoretisch ist eine ideale Crash-Box eine kostengünstige,
leicht austauschbare Einheit mit geringer Masse, welche die restliche
Fahrzeugstruktur gegen Beschädigung
bei Geschwindigkeiten z.B. bis zu 15 km/h isoliert und beschützt, indem
sie sich elas tisch (reversibel) bei Aufprallgeschwindigkeiten unter 8
km/h verformt und sich irreversibel (Eindrücken) bei Kraftniveaus verformt,
die hoch genug sind, um die gesamte Aufprallenergie bei Aufprallgeschwindigkeiten
zwischen 8 und 15 km/h abzubauen. Crash-Boxes sind also dazu gedacht,
dass sie bei Unfällen
unter 8 km/h minimale Reparaturkosten bewirken und, da sie leicht
austauschbare „Opfer"-Elemente sind, Fahrzeugreparaturkosten
bei Zusammenstößen zwischen
8 und 15 km/h zu verringern.
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Da
bei Aufprallereignissen zwischen 8 und 15 km/h die Aufprallbeschädigung auf
die Crash-Boxes begrenzt sein soll, sind sie dazu ausgelegt, auf einem
niedrigeren Kraftniveau als die restliche Fahrzeugkarosseriestruktur
eingedrückt
zu werden. Dieses niedrigere Niveau der Kraft des Zusammenstoßes bedeutet
jedoch, dass sie bei Zusammenstößen über 15 km/h
als Energie-Absorber weniger effizient sind, d.h. dass sie weniger
Energie pro eingedrückter Längeneinheit
abbauen als die Karosserieholme, an denen sie befestigt sind. Für ein Fahrzeug
mit festgelegter Länge
sind von diesem Standpunkt des Eindrückens bei einem niedrigeren
Energieniveau und des Abbaus von weniger Energie pro Längeneinheit als
die Holme, an denen sie befestigt sind, Crash-Boxes ein suboptimaler
Gebrauch von Eindrückraum. Zusätzlich dazu,
dass man eine Crash-Box hat, die nach einem Aufprall mit niedriger
Geschwindigkeit leicht repariert wird, wäre wünschenswert eine solche Box
zu haben, die eingestellt (abgestimmt) werden könnte, wenn z.B. ein Zusammenstoßwarnsystem
an dem Fahrzeug einen solchen bevorstehenden Aufprall erfassen würde.
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Man
kann sich vorstellen, dass reparierbare und abstimmbare Crash-Boxes auf hydraulischen oder
magnetorheologischen Fluids (MRF) basieren können. In solch einer Einheit
würde eine
axiale Belastung bei einem Zusammenstoß bewirken, dass sich ein Kolben
in einem Zylinder aufregelt und Energie abbaut, indem er entweder
ein viskoses Fluid durch eine Öffnung
zwingt oder ein Fluid in dem Spalt zwischen Kolben und Zylinderwand
schert. Ein erkennbarer Vorteil solcher Einheiten liegt darin, dass sie
zumindest theoretisch ihre Eindrückkräfte einstellen/optimieren
lassen könnten,
um sich an den Ernst jedes spezifischen Zusammenstoßereignisses
auf der Basis eines Sensoreingangs bezüglich des Ernstes des Zusammenstoßereignisses
anzupassen. Die Einstellung könnte
durch eine rasche Änderung
der Öffnungsgröße oder
durch eine rasche Änderung
der Stärke
des angelegten Magnetfeldes im Falle eines MRF passieren. Ein weiteres
positives Merkmal solcher Einheiten liegt darin, dass der Kolben
in seine Aufprallaufnahmeposition durch eine Rückbringkraft oder einen Mechanismus
wie eine Feder zurückgebracht
werden könnte,
so dass die Einheiten nach einem Zusammenstoß mit niedriger Geschwindigkeit voll
rückführbar sind.
Solche Einheiten könnten
also zumindest für
Zusammenstöße mit niedriger
Geschwindigkeit sowohl abstimmbar als auch heilbar sein. Solche
hydraulischen und MRF-Einheiten sind jedoch in der Praxis ziemlich
schwer, und nachdem sie beim Absorbieren von Energie während eines Aufpralls
durchgeschlagen sind, sind sie im wesentlichen starre Einheiten,
die jedem weiteren Eindrücken
widerstehen und auf diese Weise den Eindrückwirkungsgrad des Fahrzeugvorbaus
reduzieren.
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Die
EP 0 511 427 A1 offenbart
eine Vorrichtung zur Absorption von Aufprallenergie nach dem Oberbegriff
des unabhängigen
Anspruchs 1.
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Eine
Aufgabe dieser Erfindung liegt darin, ein relativ einfaches und
sehr anpassbares Design für abstimmbare
und reparierbare Energieabsorptionsvorrichtungen für ein Kraftfahrzeug
auf der Basis des Gebrauchs von aktiven Materialien als dem Energieabsorptionselement
vorzusehen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die
oben beschriebene Aufgabe ist durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs
1 gelöst.
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Diese
Erfindung verwendet Formgedächtnismaterialien
des Typs, die in vielen verschiedenen nützlichen Konfigurationen für die effiziente
Absorption der Energie eines Aufpralls an einer Fahrzeugkarosserie
vorbereitet werden können.
Das Formgedächtnismaterial
wird in Form eines oder mehrerer Körper, gerollter Tafeln, Drahtgeflechten,
Schäumen oder
zusammenschiebbaren Rohren verwendet, die eine voraussagbare Verformung
durchmachen, wenn sie Aufprallenergie absorbieren, bis zu einem
Design-Niveau. Einige Zeit nach dem Aufprall führt sich der verformte Körper selbst
in seine ursprüngliche Form
zurück,
wenn er wechselnd über
oder unter eine bekannte Transformationstemperatur erwärmt oder
abgekühlt
wird, bei welcher die transformierte Mikrostruktur in ihre ursprüngliche
Form zurückkehrt.
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Bestimmte
Polymermaterialien (genannt Formgedächtnispolymere, SMP) und bestimmte
kristalline Metalllegierungen (genannt Formgedächtnislegierungen, SMA) haben
Formgedächtnischarakteristika,
die zur Verwendung in der Praxis dieser Erfindung geeignet sind.
Es wird deutlich, dass SMA-Materialien und SMP-Materialien in der
Praxis dieser Erfindung individuell oder in Hybridkombinationen
verwendet werden können.
Ein Beispiel eines geeigneten Formgedächtnismaterials ist die Familie
von Metalllegierungen, die nahezu gleiche Atomanteile von Nickel
und Titan (NiTi) enthalten. Sie sind in Patentliteratur und den
technischen Produktinformationsveröffentlichungen der Geschäftseinheiten
beschrieben, die sie liefern. Je nach ihrer genauen Zusammensetzung,
einschließlich
kleiner Mengen anderer Elemente in manchen Fällen, machen diese NiTi-Legierungen eine
Transformation von einer martensitischen Kristallstruktur zu einer
austenitischen Form durch, wenn sie über Temperaturen im Bereich
von etwa –200°C bis 110°C erwärmt werden.
Körper
spezifischer Zusammensetzungen können
so vorbereitet werden, dass sie sich bei einer Temperatur in dem Bereich
transformieren, der für
eine gedachte Anwendung geeignet ist.
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Der
Körper
wird aus dem Legierungsmaterial geformt, wenn die Legierung in ihrer
austenitischen Form vorliegt, und dann auf seine martensitische Form
abgekühlt.
Eine NiTi-Legierungsfeder zum Gebrauch in einer Fahrzeugaufprallabsorptionsanwendung
könnte
so formuliert sein, dass sie eine Temperatur der Transformation
von martensitisch zu austenitisch z.B. von 60°C oder höher hat. Die Feder würde in ihrer
Aufprallabsorptionsform bei einer Temperatur über 60°C hergestellt und zur Montage
in einer Zusammenstoßabsorptionsvorrichtung
auf Umgebungstemperatur abgekühlt
werden. Die Mikrostruktur der abgekühlten Feder ändert sich
in ihre martensitische Kristallphase mit minimaler Formänderung. Die
in der Vorrichtung verwendete Feder oder Federn würden so
ausgelegt sein, dass sie einen Aufprall einer repräsentativen
Fahrzeuggrößenmasse
z.B. bei einer Geschwindigkeit von bis zu 8 km/h mit einem festen
Gegenstand wie einem Pfosten absorbieren und in ihre ursprüngliche
Form zurückgeführt werden.
Für Aufprallereignisse
mit sehr niedriger Energie könnte
die Verformung der Federn vollkommen elastisch sein, und sie würden in
ihre ursprüngliche Form
zurückkehren,
wenn das Fahrzeug von dem Pfosten zurückgesetzt wird. Aber die meisten
solcher Aufprallereignisse werden die martensitischen Federn permanent
verformen. Wenn sie jedoch später über 60°C erwärmt werden,
transformieren sie sich in ihre austenitische Kristallphase und
kehren in ihre ursprüngliche
Form als Federn zurück,
und die Vorrichtung ist „geheilt". Die Federn oder
andere Aufprallabsorptionsformen von NiTi-Formgedächtnismaterialien
können
von wiederholten Dehnungen der SMA von bis zu etwa 4 % und in manchen
Fällen
bis zu 8 % geheilt werden. Und so müssen die Federn, Rohre oder
gerollten Tafeln usw. in der Crash-Box oder ähnlichem dimensioniert und
organisiert sein, dass sie bei solchen Aufprallereignissen mit niedriger
Geschwindigkeit heilbar sind.
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Die
Verwendung von Formgedächtnismaterial
mit Eigenschaften wie den NiTi-Legierungen bietet auch einen Weg,
die Eigenschaften der Zusammenstoßvorrichtung „abzustimmen", in der sie verwendet werden.
Die Ni-Ti-Federn
sind gewöhnlich
in ihrer austenitischen Phase fester als in ihrer martensitischen
Form. Ihre Steifigkeit und 0,2 % Dehngrenze kann je nach Zusammensetzung
und Mikrostruktur bis zu dreimal größer in der austenitischen Form
z.B. über
60°C sein.
Wenn das Fahrzeug eine Fähigkeit zur
Zusammenstoßniveauerfassung
z.B. auf der Basis von Radar oder einem Beschleunigungsmesser-/Mikroprozessor-System
oder sogar der aktuellen Geschwindigkeit des Fahrzeugs, können die
martensitischen NiTi-Federn rasch auf ihre austenitische Form erwärmt werden
und werden deshalb bei einem höheren
Kraftniveau eingedrückt
und haben demnach eine höhere
Energieabsorptionskapazität.
Bei diesem Beispiel werden demnach die Formgedächtnislegierungsfedern durch
Erwärmung
abgestimmt, um ihre Energieabsorptionskapazität zu erhöhen. Selbstverständlich können die
Vorrichtungen mit unterschiedlichen Formen ausgebildet sein und
unterschiedliche Festigkeiten bei der gleichen Abstimmtemperatur
haben.
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Eine
abstimmbare, heilbare Vorrrichtung zur Absorption von Zusammenstoßaufprallenergie
für ein
Fahrzeug, die Formgedächtnismaterialien
verwendet, kann natürlich
viele verschiedene Formen annehmen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform werden
die Formgedächtnismaterialien
jedoch in einer Crash-Box zwischen einem Aufprallelement an dem
Fahrzeug wie einem vorderen Stoßfänger und einem
festen Karosserieelement wie einem Karosserielängsholm verwendet. Die Crash-Box
hat z.B. eine Längsachse
in Richtung des vorweggenommenen Aufpralls. Ein Ende eines Kolbens
ist teilweise in einen Einlass an der Vorderseite der Crash-Box eingeführt. Das
andere Ende des Kolbens liegt gegen einen Stoßfänger oder eine andere Aufprallaufnahmefläche an.
Ein Ende des Formgedächtnismaterialkörpers dieser
Erfindung ist an der Box befestigt und das andere an dem eingeführten Ende
des Kolbens. Wenn ein Aufprall auf den Fahrzeugkörper dazu tendiert, den Kolben
in die Box zu treiben, wird das Formgedächtnismaterial gespannt und
verformt, um Aufprallenergie zu absorbieren.
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Wie
angedeutet, kann das Formgedächnismaterial
z.B. in Form von Federn verwendet werden, die zusammengedrückt oder
ausgedehnt werden können,
Plattenmaterial zum Strecken oder schraubenförmigen Aufwickeln oder Abwickeln,
zusammenschiebbare Rohr, Drahtgeflecht oder Schaum. Drahtgeflecht
oder Schaum kann praktisch jede Form annehmen, um einen Aufprallabsorptionsraum
einzunhemen. Rohre können
in einer Gruppe zusammengeballt sein, als ineinandergeschachtelte
konzentrische Rohre gleicher oder unterschiedlicher Länge verwendet
werden oder in ineinanderschiebbaren Kaltformanordnungen. Dies sind
nur Beispiele von vielen Formen, in denen Formgedächtnismaterial
in der Praxis dieser Erfindung verwendet werden kann.
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Erwärmung wird
verwendet, um das Formgedächtnismaterial
zu heilen oder abzustimmen. Wenn Metalllegierungen verwendet werden,
können sie
häufig
sehr rasch erwärmt
werden, indem ein elektrischer Strom durch das elektrisch leitende,
resistive Material geführt
wird. Geeignete elektrische Verbindungen werden mit den Metallaufprall-Absorbern
in der Crash-Box hergestellt, und ein geeigneter Mikroprozessor
oder ein anderer Controller wird verwendet, um den Fluss des Heizstroms
einzuleiten und zeitlich festzulegen. Für elektrisch nichtleitende Formgedächtnismateria lien
können
getrennte Heizstrahler verwendet werden oder Drähte für Widerstandsheizung eingebettet
sein.
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Es
ist also eine effektive Aufprallabsorptionsvorrichtung für eine Fahrzeugkarosserie
vorgesehen. Da die Vorrichtung, wie beschrieben, aktive Materialien
verwendet, kann sie nach Aufprallereignissen mit geringer Energie
mit niedrigen Kosten repariert und abgestimmt werden, um wesentlich
mehr Energieabsorptionskapazität
für Aufprallereignisse
mit höherer Energie
vorsehen. Diese und weitere Aufgaben und Vorteile der Erfindung
werden deutlicher aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine Schrägansicht
der Vorderseite eines Fahrzeug, die im Phantomumriss die Anordnung
einer Crash-Box, die Formgedächtnismaterial enthält und hinter
dem vorderen Stoßfängerband
und dem Stoßfängerholm
angeordnet ist.
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2 ist
eine isometrische Ansicht einer Crash-Box, die NiTi-Legierungsfedern
mit Formgedächtnis
verwendet.
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3 ist
eine isometrische Ansicht eines Abschnitts einer Crash-Box, die
aufgewickelte Platten aus einer NiTi-Formgedächtnislegierung verwendet.
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BESCHREIBUNG BEVORZUGER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die
Praxis der Erfindung wird in Verbindung mit der Konstruktion einer
Crash-Box veranschaulicht, die an einem Längsholm einer Kraftfahrzeugkarosserie
angebracht ist und einen teilweise eingeführten Kolben enthält, der
an der Rückseite
eines Stoßfängerholms
befestigt ist.
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Heutige
Automobile haben ein Stoßfängersystem,
das häufig
eine äußere Schicht
aus dekorativem Bandmaterial umfasst, das geformt und lackiert ist,
um das Design des Vorderbaus des Fahrzeugs zu ergänzen. Das
Band bedeckt eine Stoßfängerstange, welche
die Front des Fahrzeugs überspannt
und aus einem geeigneten Polymer oder bevorzugt Stahl oder Aluminium
gebildet ist. Die Stange ist häufig
an einer Holmkarossierierahmenstruktur der Karosserie mittels einer
hydraulischen Stoßdämpfervorrichtung befestigt.
Aber nach dieser Erfindung ist die Stoßfängerstange an der Fahrzeugkarosserie
mittels einer zwischengeschalteten Zusammenstoßstange befestigt.
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In 1 der
Zeichnungen ist eine Ansicht der vorderen Außenflächen 10 eines repräsentativen Fahrzeugs
gezeigt. Der vertraute Umriss der Fahrzeugmotorhaube, der Frontleuchtenbaugruppen,
des Kühlergrills,
des Stoßfängerbandes
und des Vorderrades ist deutlich. Die Ansicht enthält einen
weggebrochenen Umriss 12, in dem eine repräsentative Crash-Box 14 mit
einem sich nach vorne erstreckenden rohrförmigen Kolben 16 zu
sehen ist, der an einer Seite einer rohrförmigen Fahrzeugstoßfängerstange 18 (fragmentarisch
und schematisch gezeigt) befestigt ist. Eine gleiche Crash-Box würde typischerweise
an der anderen Seite des Fahrzeugs verwendet werden. Das Stoßfängerstangenfragment 18 ist
mit einem Bandstück 20 bedeckt,
das auch schematisch gezeigt ist. Das hintere Ende der Crash-Box 14 ist
geeignet an dem vorderen Ende eines nicht gezeigten Karosserieseitenholms
oder einem anderen geeigneten Karosseriestrukturelement befestigt.
Die Crash-Box wirkt wie eine Verlängerung des Karosserierahmens,
die zu der Stoßfängerstange 18 reicht. 2 zeigt
die Crash-Box 14 isoliert und mehr im einzelnen. Sie ist
im gestrichelten Umriss gezeigt, damit der SMA-Energieabsorptionsinhalt
leichter veranschaulicht werden kann. Der Kolben 16 ist
mit rechteckigem Querschnitt veran schaulicht, er kann aber ein rundes
Rohr oder eine andere gewünschte
Form haben.
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Die
Crash-Box 14 hat geeigneterweise die Gestalt einer Schuhschachtel.
Sie ist mit rechteckigem Querschnitt dargestellt, aber die Crash-Box kann
wie der Kolben 16 ein rundes Rohr sein oder eine andere
gewünschte
Gestalt haben. Die Crash-Box 14 hat gegenüberliegende
vertikale Seiten 22, gegenüberliegende horizontale Seiten
(oben und unten) 23 und ein vorderes Ende 24 und
ein hinteres Ende 26. Wie festgestellt, ist das hintere
Ende geeignet an einem nicht gezeigten Längsrahmenholm des Fahrzeugs
befestigt. Das vordere Ende 24 der Crash-Box 14 hat
eine bei dieser Ausführungsform
rechteckige Öffnung,
durch welche ein Abschnitt der Länge
des Kolbens 16 eingeführt
ist. Das vordere Ende 24 ist, wie beschrieben wird, dazu
gemacht, den Kolben 16 zu stützen und zuzulassen, dass er durch
die Öffnung
gleitet, was beschrieben wird. Das eingefügte Ende 28 des Kolbens 16 ist
mit einer rechteckigen Grundplatte 30 verbunden, die auch den
Kolben 14 stützt
und als ein Gleitelement dient, das in das Innenprofil der Crash-Box 14 passt.
Die Seiten der rechteckigen Grundplatte gleiten an den Innenflächen der
vertikalen Seiten 22 und der horizontalen Seiten 23 der
Crash-Box 14 nach hinten, wenn der Kolben 16 einen
Aufprall aufnimmt, der ihn weiter in die Crash-Box 14 treibt.
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Wie
in 2 gezeigt ist, werden die Drahtschraubenfedern 32 (eine
oder mehr Federn an jeder Seite des Kolbens 16, wobei zwei
Federn an jeder Seite gezeigt sind) aus Nickel-Titan-Formgedächtnismaterial
als Aufprallabsorptionselemente verwendet. Das vordere Ende 34 jeder
Feder 32 ist durch einen geeigneten Verbinder (die bei 38 gezeigten
Laschen) mechanisch an der Vorderseite 24 der Crash-Box 14 befestigt.
Das hintere Ende 36 jeder Feder 32 ist durch einen
geeigneten mechanischen Verbinder 40 mechanisch an der
Grundplatte 30 befestigt. Damit widersetzen sich die Schraubenfedern 32 jedem
Aufprall auf das Kolbenelement 15, der dazu neigt, es weiter
in die Crash-Box 14 zu treiben.
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Der
Kolben 16 und die Länge
jeder Schraubenfeder 32 haben Anfangspositionen vor jedem Aufprall
auf die Stoßfängerstange 18.
Zwei solche Crash-Boxes können
an einem Fahrzeug verwendet werden, eine an jedem Ende eines vorderen
Stoßfängers. Beim
Aufprall wird der Kolben 16 in die Crash-Box 14 getrieben
und streckt die Federn 32. Die Größe(n), Federkonstante(n) und
Anzahl von Federn sind spezifiziert, um die gedachte Energieabsorptionsfunktion
der Crash-Box 14 vorzusehen. Beispielsweise kann für einen
frontalen Mittenaufprall eines Fahrzeugs mit 1400 kg gegen einen
Pfosten mit einer Fahrzeuggeschwindigkeit bis zu 8 km/h das Zusammenstoßsystem
so ausgelegt sein, dass die Federn elastisch gestreckt werden. Die
gestreckten Federn 32 würden
dann den Kolben 16 selbst in seine Anfangsposition zurückbringen,
wenn der Stoßfänger von
dem Pfosten zurückgesetzt
wird.
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Für Aufprallereignisse
an dem Kolben 16 mit höherer
Energie, die sich aus Geschwindigkeiten z.B. bis zu 15 km/h ergeben,
würden
die Federn über ihre
Elastizitätsgrenze
hinaus gedehnt. In dieser Situation würden die Federn 32 zu
einem geeigneten Zeitpunkt nach dem Aufprall erwärmt, um sie in ihre austenitische
Funktion zu transformieren, in welcher sie selbst den Kolben 16 in
seine Anfangsposition zurückbringen.
Es wird auch beschrieben, dass die Federn zum Abstimmen ausgelegt
sein können,
um sogar Aufprallereignisse mit höherer Energie aufzunehmen.
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Die
Federn 32, die geeigneterweise aus einer Nickel-Titan-Legierung
hergestellt sind, werden anfänglich
als Schraubenfedern ausgebildet, wenn sich die Legierung in ihrer
austenitischen Form befindet. Die Federn werden dann auf Umgebungstemperatur
abgekühlt.
Während
des Abkühlens transformieren
sie sich in ihre martensitische Form. Und dies ist die Form, in
welcher die Federn 32 in die Crash-Box 14 eingebaut
werden und einen Aufprall erwarten.
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Wieder
unter Bezug auf 2 sind Verbindungen für die elektrische
Widerstandsheizung mit den Federn 32 hergestellt. Der rechteckige
leitende Streifen 42 ist an dem vorderen Ende 24 der
Box um den Kolben 16 befestigt. Eine geeignete elektrische Verbindung
wie der Zuleitungsdraht 43 von der Fahrzeugbatterie oder
einer anderen nicht gezeigten Stromquelle ist zu dem leitenden Streifen 42 hergestellt.
Geeignete (nicht gezeigte) leitfähige
Leitungen leiten Strom von dem Streifen 42 durch das vordere Ende 24 der
Box zu den vorderen Enden 34 der Federn 32. Die
hinteren Enden 36 von Federn sind durch die Crash-Box 14 zu
der Fahrzeugkarosserie elektrisch geerdet, wie dies bei 44 angegeben
ist.
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Wenn
ein Aufprall mit niedriger Energie die SMA-Drähte, welche die Federn bilden, über ihre Elastizitätsgrenze
gedehnt hat (z.B. bis zu 8 % Dehnung), werden sie repariert, entweder
durch Wirkung der Fahrzeugsysteme oder an einem Reparaturort. In jedem
Fall wird eine elektrische Stromquelle an den Streifen 42 angelegt,
um die Federn 32 auf eine Temperatur im austenitischen
Bereich ihrer Mikrostruktur zu erwärmen. Diese Erwärmung bewirkt,
dass die Federn 32 eine mikrostrukturelle Phasentransformation
durchmachen und in ihre ursprüngliche
Form zurückkehren.
Dabei ziehen sie den Kolben 16 in seine ursprüngliche
Position vor einem Aufprall zurück.
Bei der Reparatur des Crash-Box-Systems kann die Unterstützung einer
Reparaturperson verwendet werden.
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Wie
eben beschrieben, sind die Federn in der Crash-Box dazu gedacht,
unter Aufprallereignissen mit niedriger Energie bis zu 8-15 Kilometer
pro Stunde zu arbeiten. Im Falle eines Aufpralls mit höherer Energie
wird die se Vorrichtung nicht arbeiten, um einen wesentlichen Teil
der Energie eines solchen stärkeren
Aufpralls zu absorbieren. Heute haben viele Fahrzeuge Vorrichtungen
zum Erfassen eines Zusammenstoßes
wie Radarsysteme oder Beschleunigungsmesser, die an der Vorderseite
des Fahrzeugs angeordnet sind und als Teil eines computergeleiteten
Zusammenstoßdetektionssystems
arbeiten. Solche Zusammenstoßdetektionssysteme
erfassen rasch (innerhalb eines Bruchteils einer Sekunde) den Ausbruch
eines wesentlichen Aufpralls. Wenn ein solches Aufpralldetektionssystem
einen drohenden Aufprall mit hoher Geschwindigkeit erfasst, kann
das System sofort die elektrische Widerstandsheizung der Federn 38 am
Fahrzeug befehlen. Während
ausgeklügelte
Radar- oder Beschleunigungsmesser-Zusammenstoßdetektionssysteme als eine
Basis zum Abstimmen der SMA-Energieabsorptionselemente verwendet
werden können,
kann die aktuelle Geschwindigkeit des Fahrzeugs als Basis für eine solche
Abstimmung verwendet werden, wenn ein Beschleunigungsmesser-/Mikroprozessorsystem
zuerst einen Zusammenstoß erkennt.
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Die
elektrisch leitenden Federn 32 werden rasch auf eine Temperatur
in ihrem austenitischen Bereich erwärmt, in dem sie fester sind
und während der
Verformung eine hohe Kraft liefern. Die selektive Erwärmung einiger
oder aller SMA-Elemente kann verwendet werden, um die Energieabsorptionseigenschaften
einer Baugruppe aus den Elementen auf unterschiedliche Grade zu ändern. Wenn
sie also auf ihre austenitische Form abgestimmt sind, können die Federn 32 bei
hoher Dehnung mehr der Energie des stärkeren Aufpralls speichern
und schließlich
abbauen. In dieser Situation können
die Federn über
eine Reparatur hinaus verformt werden, und wenn der Hub weit genug
geht, könnte
der Körper
der Crash-Box selbst
beim Absorbieren der Energie eines solchen wesentlicheren Aufpralls
eingedrückt werden.
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3 der
Zeichnungen ist eine fragmentarische Ansicht einer Crash-Box im
gestrichelten Umriss, in welcher das Nickel-Titan-Material anfänglich in
Form eines Tafelmaterials in Schraubenrollenform wie ein Rollo vorliegt.
Bei dieser Ausführungsform sind
zwei teilweise aufgewickelte Tafeln aus Nickel-Titan-Formgedächtnismaterial
innerhalb der Box 14 zu sehen. Die Tafelmaterialrollen 50 werden an
Rollenstiften 52 getragen, die an den vertikalen Seiten 22 nahe
beim vorderen Ende 24 der Crash-Box 14 befestigt
sind. Die Rollen 50 werden über der oberen Seite und unter
der unteren Seite des Kolbens 16 gestützt. Die Rollen 50 sind
allgemein parallel zu dem Kolben 16. Das SMA-Material ist
anfänglich
teilweise aufgewickelt. Da NiTi in seiner austenitischen Phase je
nach der Dicke der gerollten Tafel einen etwas größeren Young'schen Modul als Aluminium
hat, kann es beträchtliche
Energie absorbieren, um jede Rolle 50 in ihre flache Tafelform
abzuwickeln (Tafelabschnitt bei 54 angegeben). So beinhaltet
das Abwickeln des Tafelmaterials fortschreitend elastische Dehnung
und dann Dehnung in Form von permanenter Verformung. Aufprallenergie
wird während
des Abwickelns der Rolle und jeder nachfolgenden Dehnung der abgewickelten
Tafel absorbiert. Wie bei der Ausführungsform mit Federn kann
ein begrenztes Abwickeln der gewickelten Tafel repariert werden.
Die abgewickelten Tafeln können
erwärmt werden,
indem ein elektrischer Strom durch sie geleitet wird, um sie an
den Rollenstiften 52 aufzuwickeln. Die Verbindung zum elektrischen
Widerstandsheizen zu den gewickelten Tafeln kann durch den leitenden Streifen 42 hergestellt
werden, und das hintere Ende des abgewickelten Abschnitts der Rolle 50 ist
mit der Rückwand 30 der
Crash-Box 14 verbunden und durch diese Wand 30 elektrisch
an die Fahrzeugkarosserie geerdet. Die gewickelten oder abgewickelten
Tafelabschnitte werden durch geeignete elektrische Widerstandsheizung
geheilt und abgestimmt, wie dies bezüglich der Federn 32 beschrieben
ist. Die Rollen 50 können
unabhängig
voneinander geheilt und abgestimmt werden.
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Anstelle
von (oder zusätzlich
zu) Federn und Rollen können
Rohre des Nickel-Titan-Formgedächtnislegierungsmaterials
zur Verwendung als das Energieabsorbtionsmaterial in einer Crash-Box
angepasst werden. Rohre mit geeigneter Wanddicke und geeignetem
Abstand können
in vielen Ausgestaltungen verwendet werden, um Aufprallenergie zu
absorbieren, und dann erwärmt
werden, um sie in ihre ursprüngliche
Form zurückzubringen.
Beispielsweise kann der Aufprall an einem Ende des Rohrs oder der Rohrgruppe
aufgenommen werden, und Energie kann während des kontrollierten Knautschens
oder Herumrollens des Endes des Rohrs absorbiert werden. Rohre können als
eine Anordnung von mehreren parallelen, beabstandeten Einzelrohren
verwendet werden, die jeweils ihren Anteil des Aufpralls absorbieren.
Wanddicken können
variiert werden, um eine spezifizierte Gesamtenergieabsorption zu
erhalten, während
die heilbare Dehnung in den Rohren für Aufprallereignisse mit niedriger
Geschwindigkeit behalten wird. Rohre unterschiedlicher Durchmesser können in
einer konzentrischen Anordnung verwendet werden, so dass eine Reihe
von Rohren mit fortschreitend kleinerem Durchmesser innerhalb eines äußeren Rohrs
verwendet wird. Darüber
hinaus können
die inneren Rohre eine größere Länge als
die äußeren Rohre
haben, so daß die
kleineren Rohre fortschreitend in die größeren Rohre gedrückt werden und
der Aufprallabsorptionseffekt von den Rohren mit kleinem Durchmesser
zu fortschreitend größeren Rohren
weiter geht.
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Natürlich sind
andere Formen von Energieabsorptionskörper denkbar, wie SMA geformt
zu Drahtgeflechten oder poröse
Körper
wie SMA-Schaum.
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Reparierbare
und abstimmbare Formgedächtnisabsorptionsvorrichtungen
können
mit computerbasierten, fahrzeugeigenen Fahrzeugzusammenstoßaufprallsystemen
verwendet werden. Diese Systeme werden an Fahrzeu gen bereits zur
Steuerung des Aufblasens von Airbags verwendet werden. Einige Systeme
verwenden Radar mit einem Computer, um die Rate des Aufschließens des
Fahrzeugs zu einem Gegenstand zu bestimmen. Die Aufschließrateninformation
und Informationen zur Größe eines sich
nähernden
Gegenstandes können
von einem Computer verwendet werden, um bestimmen, ob ein Formgedächtnismaterial
auf eine höhere
Energieabsorptionskapazität
abzustimmen ist. Während
gegenwärtig
Radarsysteme an Fahrzeugen nicht üblich sind, werden Beschleunigungsmesser
mit computerbasierten Controllern zum Aufblasen von Airbags verwendet.
Wie auch immer die Zusammenstoßeingangsvorrichtung
beschaffen ist, die Daten können auch
beim Abstimmen und dem Betrieb der Aufprallabsorptionsvorrichtung
dieser Erfindung verwendet werden. In einem einfachen System kann
die Fahrzeuggeschwindigkeit zum Zeitpunkt des Aufpralls beim Abstimmen
des Formgedächtnismaterials
verwendet werden.
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Der
vom Computer ausgeführte
Prozess wird durchgeführt,
wenn das Fahrzeug in Betrieb ist. Das Energieabsorptionsmaterial
wird geeignet auf seine niedrigste Einstellung abgestimmt, bis ein
Aufprall erfasst wird. Wenn eine Zusammenstoßsituation erfasst wird und
ein Aufprallniveau auf einer rechtzeitigen Basis abgeschätzt wird,
wird eine Entscheidung getroffen, ob die Kapazität des Formgedächtnismaterials
erhöht
werden sollen, indem der Durchfluss eines elektrischen Heizstroms
durch dieses befohlen wird, um es in seine austenitische Form zu
transformieren. Wenn der tatsächliche
Aufprall eine solche Abstimmung erfordert, ist unwahrscheinlich,
dass ein Reparaturschritt hilfreich sein wird. Wenn eine solche Erhöhung nicht
erforderlich ist, wird der Aufprall dennoch abgeschätzt, um
zu bestimmen, ob die Vorrichtung eine Heilung benötigt. Wenn
eine Heilung möglich
und angezeigt ist, wird sie durch Erwärmung des Formgedächtnismaterials
auf seine austenitische Form erreicht, um es für einen nachfolgenden Aufprall
in seine Gestalt zurückzuführen.
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Diese
Erfindung verwendet also Formgedächtnismaterialien
bei der Verwaltung von Aufprallenergieabsorptionsvorrichtungen.
Wo das ausgewählte
Material wie beschrieben sowohl geheilt als auch abgestimmt werden
kann, werden diese Merkmale bevorzugt weitestgehend verwendet, durch
Betrachtung der Fahrzeuggeschwindigkeit und/oder durch computergesteuerte
Aufprallerfassung und -abschätzung.
Wo das verwendete Formgedächtnis nicht
abstimmbar ist, wird die Vorrichtung dennoch auf eine Weise verwendet,
die die Reparatur des Materials bei geeignet niedrigen Aufprallniveaus
vereinfacht.
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Auf
Formgedächtnismaterialien
ist bei der Beschreibung der Verwendung der Erfindung mit einem
Straßenpassagierfahrzeug
Bezug genommen worden, das hohe Geschwindigkeiten fahren kann. Die
Erfindung kann auch in langsameren, gewöhnlich kleineren Fahrzeugen
wie Fahrzeugen vom Typ Golfkarren, die in manchen Gemeinden in begrenzten Gebieten
verwendet werden. Bei solchen Anwendungen können Formgedächtnispolymere
besonders geeignet zur Verwendung in abstimmbaren und heilbaren
Energieabsorptionsformen sein. SMPs sind typischerweise Gemische
aus zwei oder mehr Typen von Polymeren mit unterschiedlichen Glasübergangstemperaturen
Tg. Jedes Polymer in dem Gemisch ist steifer, wenn es unter seiner Übergangstemperatur liegt,
und weicher, gummiartiger, wenn es über seine Übergangstemperatur erwärmt wird.
Das Polymergemisch ist derart formuliert, dass es geeignete Komponentenanteile
mit jeweils passenden Tg-Werten enthält. Die Form des SMP-Energieabsorptionselements
wird trainiert oder auf ein geeignetes Temperaturniveau eingestellt.
Das SMP-Element wird abgestimmt, indem es auf eine passende Temperatur
erwärmt
oder abgekühlt,
je nach den Tg-Werten der Polymerbestandteile. Und das SMP-Element
wird typischerweise geheilt, indem es über einen oder mehrere der
Bestandteil-Tg-Werte erwärmt
wird.
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Die
Erfindung ist anhand von mehreren veranschaulichenden Ausführungsformen
beschrieben worden. Andere Formen könnten jedoch vom Fachmann leicht
angepasst werden. Der Umfang der Erfindung soll nicht auf die veranschaulichten
Ausführungsformen
begrenzt sein.