WO2012104431A1

WO2012104431A1 - Energie absorbierende deformationsstruktur

Info

Publication number: WO2012104431A1
Application number: PCT/EP2012/051901
Authority: WO
Inventors: Reiner Nett; Christian Puchert
Original assignee: Takata AG
Priority date: 2011-02-04
Filing date: 2012-02-03
Publication date: 2012-08-09
Also published as: DE102011003650A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Energie absorbierende Deformationsstruktur (1) zum Schutz des menschlichen Körpers mit einem Deformationselement (11), das vorgesehen ist, unter Deformation ein sich relativ zum Deformationselement (11) bewegendes menschliches Körperteil zurückzuhalten, und einer durch eine Festkörperfläche gebildeten Oberfläche (13) des Deformationselementes (11), auf die das Körperteil bestimmungsgemäß einwirkt, wenn das Körperteil von dem Deformationselement (11) zurückgehalten wird. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass vor der Oberfläche (13) des Deformationselementes (11), auf die das zu schützende Körperteil einwirkt, ein mit dem Deformationselement (11) verbundenes flächiges Lastverteilerelement (14) angeordnet ist, das eine größere Biegesteifigkeit aufweist als das Deformationselement (11), um die beim Einwirken des Körperteils auf das Lastverteilerelement (14) auftretenden Kräfte auf die vom Lastverteilerelement (14) überdeckte Oberfläche des Deformationselementes (13) zu verteilen.

Description

Energie absorbierende Deformationsstruktur

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Energie absorbierende Deformationsstruktur nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 .

Eine derartige Deformationsstruktur findet z. B. in Kraftfahrzeugen, insbesondere im Rahmen von Kinderschutzsystemen, Anwendung. Die Deformationsstruktur umfasst mindestens ein Deformationselement, das dem Schutz des menschlichen Körpers dient und bei Krafteinwirkung eines menschlichen Körperteils auf das Deformationselement, z. B. als Folge einer Kollision mit einem anderen Fahrzeug, das angrenzende menschliche Körperteil abbremst und zurückhält. Das Deformationselement umfasst z. B. einen inneren Kern und eine Hülle. Der innere Kern ist derart gestaltet, dass er geeignet ist, das angrenzende Körperteil bei Krafteinwirkung auf die Deformationsstruktur, abzubremsen und zurückzuhalten. Die von einem Festkörper gebildete Hülle umgibt den inneren Kern; sie kann insbesondere elastisch bzw. flexibel ausgestaltet sein. In einer möglichen Bauform besteht der innere Kern aus einem elastischen Material, z. B. einem Schaumstoff, das bei Belastung komprimiert wird und bei Entlastung wieder expandiert. Die Hülle kann über eine Strömungsvorrichtung verfügen, durch die die im elastischen Kern enthaltene Luft bei Kompression entweichen und bei Entlastung wieder eintreten kann. Eine derartige Bauform wird in der DE 20 2006 010 876 U1 beschrieben. Es ist dabei auch möglich, dass die Hülle unmittelbar durch die äußere Oberfläche (in Form einer Festkörperfläche) des Kerns selbst gebildet wird.

In einer anderen Bauform, wie sie z. B. aus der WO 2010/014122 A1 bekannt ist, beinhaltet der innere Kern ein Fluid, d. h. ein gasförmiges oder auch flüssiges Material, welches durch eine fluiddurchlässige Vorrichtung, z. B. eine Auslassöffnung, mit seiner Umgebung strömungsverbunden ist. Die fluiddurchlässige Vorrichtung ist in einen Behälter integriert, der das Fluid umhüllt. Bei äußerer Krafteinwirkung strömt das Fluid aus dem Deformationselement ab. Bei Entlastung strömt das Fluid in umgekehrter Richtung wieder ein.

Wird aufgrund einer äu ßeren Krafteinwirkung ein Körperteil gegen die angrenzende Deformationsstruktur gedrückt, so kommt es zu einer Relativbewegung des Körperteils zur Deformationsstruktur. Die Bewegung des Körperteils führt zu einer Verformung der Deformationsstruktur. Zunächst findet eine Verformung der Deformationsstruktur bei vergleichsweise geringer Abbremsung des Körperteils statt. Hält die Kraftwirkung des Körperteils auf die Deformationsstruktur weiter an, so wirkt mit zunehmender Verformung eine (überproportional steigende) Rückstellkraft der Deformationsstruktur auf das Körperteil, was zu einer stärkeren Abbremsung des Körperteils führt.

Um die Belastung des zu schützenden Körperteils zu begrenzen, muss die Deformationsstruktur hinreichend groß gewählt werden, da durch einen längeren Deformationsweg die maximale Rückstellkraft, die auf den Körper wirkt, verringert werden kann. Da in einem Fahrzeug aber nur ein sehr begrenzter Raum zur Verfügung steht, ist dies nicht ohne weiteres umsetzbar.

Der Erfindung liegt daher das Problem zugrunde, eine Energie absorbierende Deformationsstruktur der eingangs genannten Art zu schaffen, die bei kompaktem Aufbau gewährleistet, dass der durch die Deformationsstruktur geschützte Insasse möglichst geringe Beanspruchungen während eines Unfalls erfährt.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch eine Energie absorbierende Deformationsstruktur mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Danach ist eine dem zu schützenden Körperteil des Insassen zugewandte (aktive) Seite der Oberfläche des Deformationselementes mit einem flächigen Lastverteilerelement verbunden, das eine größere Biegesteifigkeit aufweist als das Deformationselement.

Durch diese Anordnung wirkt die vom Körperteil über das Lastverteilerelement auf das Deformationselement einwirkende Kraft zunächst großflächig auf das Deformationselement, da das Lastverteilerelement die einwirkende Kraft flächig an das mit dem Lastverteilerelement verbundene Deformationselement weitergibt. Dadurch wird das Deformationselement über die Fläche, über die das Deformationselement mit dem Lastverteilerelement in Kontakt steht (Kontaktfläche), gleichmäßig verformt. Diese gleichmäßige Verformung bewirkt zunächst einen stärkeren Anstieg der Rückstellkraft in Abhängigkeit von der Kompression als in einer Deformationsstruktur ohne Lastverteilerelement.

Bei fortschreitender Krafteinwirkung und damit steigender Flächenkraft kann es zu einer Verbiegung des Lastverteilerelementes um die Kontaktstelle mit dem Körperteil kommen. Durch diese Verbiegung des Lastverteilerelementes wird die Kontaktfläche zwischen Lastverteilerelement und Deformationselement reduziert. Dadurch wird eine reduzierte Deformationswirkung erzielt, die mit einem geringeren Anstieg der Rückstellkraft verbunden ist. Es lässt sich sogar erreichen, dass die Rückstellkraft bei zunehmender Kompression nicht weiter zunimmt, so dass sich die Rückstellkraft in Abhängigkeit von der Verformung annähernd rechteckförmig verändert. Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht eine Beschränkung der auf das Körperteil maximal wirkenden Rückstellkraft und damit eine körperschonende Beschränkung der Bremsbeschleunigung durch die Deformationsstruktur auf das Körperteil. Dies führt zu einer sanfteren Abbremsung des Körperteils. Zusätzlich kann das Lastverteilerelement eine höhere Dehnsteifigkeit und/oder eine höhere Schubsteifigkeit aufweisen als das mit dem Lastverteilerelement verbundene Deformationselement. Eine höhere Dehnsteifigkeit und eine höhere Schubsteifigkeit unterstützen die Funktionen des Lastverteilerelementes, die beim Einwirken des Körperteils auf das Lastverteilerelement auftretenden Kräfte auf die vom Lastverteilerelement überdeckte Oberfläche des Deformationselementes (gleichmäßig) zu verteilen.

Das Lastverteilerelement kann aus unterschiedlichen Materialien hergestellt werden. Über die erforderliche größere Biegesteifigkeit verfügen z.B. metallische Materialien. Aufgrund ihres geringeren Gewichts bieten sich zudem Kunststoffe mit entsprechend großer Biegesteifigkeit als Basismaterial für Lastverteilerelemente an.

Das Lastverteilerelement kann in verschiedenen Materialstärken und Geometrien, z. B. als Platte, ausgeführt werden. Es läst sich mit einer ebenen Oberfläche oder auch mit einer unebenen, z. B. gerippten Oberfläche ausgestalten. Solange die durch das Körperteil auf das Lastverteilerelement einwirkenden Kräfte hinreichend klein bleiben, verhindert die Biegesteifigkeit des Lastverteilerelements dessen Verformung. Die einwirkenden Kräfte werden von dem Lastverteilerelement in ihrer Gesamtheit an das angrenzende Deformationselement weitergegeben und bewirken eine über die Kontaktfläche zwischen Lastverteilerelement und Deformationselement gleichmäßig wirkende Verformung des Deformationselementes.

Sind die Kräfte, die durch das Einwirken des Körperteils auf das Lastverteilerelement übertragen werden, hinreichend groß, so wird der durch die Biegesteifigkeit gegebene Widerstand des Lastverteilerelementes gegen eine Verformung überwunden und das Lastverteilerelement verformt sich. Durch die Verformung ist das Lastverteilerelement nicht mehr entlang seiner kompletten Oberfläche mit dem Deformationselement verbunden. Stattdessen nimmt die Kontaktfläche ab, wodurch die Krafteinwirkung auf das Deformationselement reduziert wird.

Statt dem Deformationselement vorgelagert zu sein, kann das Lastverteilerelement auch zwischen zwei Deformationselementen platziert werden. Damit das Lastverteilerelement erfindungsgemäß wirken kann, sollte der mögliche Verformungsweg, den das Deformationselement, welches bestimmungsgemäß dem zu schützenden Körperteil zugewandt ist und diesem damit am nächsten liegt, bei Kompression bereithält, kleiner sein, als derjenige Verformungsweg, den das vom zu schützenden Körperteil bestimmungsgemäß weiter entfernte Deformationselement bei Kompression ermöglicht.

Das Lastverteilerelement kann auf unterschiedliche Weise mit dem mindestens einen Deformationselement verbunden werden, z. B. durch eine reibschlüssige und/oder eine formschlüssige Verbindung.

Deformationsstrukturen lassen sich in ein Insassenschutzsystem integrieren, indem sie an einem tragenden (z.B. festen) Bauteil des Insassenschutzsystems angebracht werden.

Bei dem Insassenschutzsystem, in das die Deformationsstruktur integriert ist, kann es sich insbesondere um ein Kinderschutzsystem, z. B. in Form eines Kindersitzes, handeln. Dabei kann die Deformationsstruktur in Seitenwangen eines Kinderschutzsystems integriert werden. Eine solche Deformationsstruktur schützt das Kind insbesondere dann, wenn ein Drittfahrzeug seitlich auf ein mit dem Kinderschutzsystem ausgestattetes Fahrzeug prallt. Je nach Lage und Größe der mindestens einen Deformationsstruktur in jeder der Seitenwangen können verschiedene Körperregionen, wie der Kopf-, Brust-, Bauch- und Beckenbereich durch die Deformationsstruktur geschützt werden.

Neben der Anwendungsmöglichkeit in Insassenschutzsystemen im Automobilbereich kann die erfindungsgemäße Deformationsstruktur auch in anderen Bereichen eingesetzt werden, beispielsweise als Innenpolster in Helmen oder als Rückenprotektor für Wintersportler.

In einer möglichen Ausführungsform besteht das mindestens eine Deformationselement der Deformationsstruktur aus einem deformierbaren Festkörper; z. B. einem Kunststoff oder einem Schaumstoff.

In einer anderen möglichen Ausführungsform enthält das mindestens eine Deformationselement in seinem Kern ein Fluid. Das Fluid befindet sich in einem Behälter, welcher einer Hülle des Deformationselementes darstellt. Die Hülle kann mit Auslassöffnungen ausgestattet sein, die es dem Fluid erlauben, bei Kompression des Deformationselementes auszuströmen und bei Entlastung wieder zurückzuströmen. Bei dem Fluid kann es sich um eine Flüssigkeit oder um ein (komprimierbares) Gas handeln.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden an der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Figuren deutlich werden.

Es zeigen:

Fig.1 den Aufbau eines Kinderschutzsystems mit Deformationsstruktur;

Fig.2a eine konventionelle Deformationsstruktur vor einer Kontaktphase;

Fig.2b eine konventionelle Deformationsstruktur während der Kontaktphase;

Fig.3 eine erste Ausführungsform einer Deformationsstruktur Lastverteilerelement;

Fig.4 eine zweite Ausführungsform einer Deformationsstruktur mit

Lastverteilerelement;

Fig.5a eine Deformationsstruktur gemäß Fig. 3 vor der Kontaktphase;

Fig.5b eine Deformationsstruktur gemäß Fig. 3 während der Kontaktphase;

Fig.6 eine Darstellung der Verformung eines Lastverteilerelementes durch unterschiedliche Lasteinträge;

Fig.7 ein Schema der Energieabsorption bei idealer Dreiecks- und

Rechteckskennung;

Fig.8 ein Beschleunigungs-Weg-Diagramm einer Deformationsstruktur ohne und mit Lastverteilerelement;

Fig.9a eine Deformationsstruktur mit einer ersten Form des Energieeintrags;

Fig.9b eine Deformationsstruktur mit einer zweiten Form des Energieeintrags;

Fig.10 eine Deformationsstruktur mit einer dritten Form des Energieeintrags;

Fig.1 1 eine Kombination zweier Deformationsstrukturen;

Fig.12 eine weitere Kombination zweier Deformationsstrukturen.

Fig.1 zeigt ein Kinderschutzsystem (Kindersitz) mit Sitzschale, Rückenlehne und Seitenbereichen in Form von Seitenwangen, in welchem in beiden Seitenbereichen an zwei unterschiedlichen Stellen jeweils Deformationsstrukturen D1 und D2 verbaut wurden. Beide Deformationsstrukturen dienen vor allem dazu, ein Kind vor seitlichen Stößen zu schützen. Während die eine Deformationsstruktur D2 weitgehend den kompletten Seitenbereich abdeckt und damit die unterschiedlichen Körperregionen Kopf-, Brust-, Bauch- und Beckenbereich schützt, dient die andere Deformationsstruktur D1 primär dem Schutz des Kopfes.

Neben ihrer Lage und der hiermit zu schützenden Körperregion können sich Deformationsstrukturen weiterhin aufgrund ihrer Struktur, des verwendeten Materials, der Materialstärke sowie ihrer Geometrie unterscheiden.

Fig. 2a und 2b zeigen schematisch die Verformung einer konventionell aufgebauten Deformationsstruktur 1 ' vor und während der Krafteinwirkung durch einen Kopfimpaktor K. Die Anordnung entspricht der Anordnung in einem typischen Impaktortest, bei dem ein Kinderkopfimpaktor K in eine Deformationsstruktur 1 ' fällt.

Die Deformationsstruktur 1 ' besteht aus einem Deformationselement 1 1 , das einen Kern 15 und eine Hülle 10 umfasst. Eine Oberfläche 13 als Teil der Hülle begrenzt das Deformationselement 1 1 an der Seite, auf die der Kopfimpaktor K einwirkt. Trifft der Kopfimpaktor K auf die Deformationsstruktur 1 ', so kommt es zu einer lokal begrenzten Deformation der Deformationsstruktur 1 ' um die Kontaktstelle, an der der Kopfimpaktor K in Kontakt zur Oberfläche 13 des Deformationselementes 1 1 tritt. Durch die lokale Deformation weitet sich die Kontaktstelle des Kopfimpaktors K mit der Deformationsstruktur 1 ' zu einem in der Fläche größeren Kontaktbereich 3.

Fig. 3 zeigt eine mögliche Ausführungsform einer Energie absorbierenden Deformationsstruktur 1 mit Lastverteilerelement 14, wie sie z. B. in einem Kinderschutzsystem gemäß Fig. 1 eingesetzt werden kann. Die Deformationsstruktur 1 umfasst ein Deformationselement 1 1 , das aus einem Schaumstoff besteht, wobei der Schaumstoff z. B. eine Schaumstoffsteifigkeit zwischen 50% und 200% aufweist und unmittelbar selbst die äußere Oberfläche (in Form einer Festkörperfläche) bzw. Hülle des Deformationselementes 1 1 bildet. Der einen Oberfläche 13 des Deformationselementes 1 1 ist ein aus Metall oder Kunststoff gefertigtes Lastverteilerelement 14 in Form einer Lastverteilerplatte vorgelagert, das die Oberfläche des Deformationselementes 1 1 vollständig oder zumindest teilweise abdeckt. Das Lastverteilerelement 14 ist reibschlüssig (und/oder formschlüssig) mit dem Deformationselement 1 1 verbunden. Diese Anordnung wird in ein Insassenschutzsystem in einer solchen Weise integriert, dass die Deformationsstruktur 1 dem zu schützenden Körperteil bei sachgerechter Verwendung benachbart ist, wobei das zu schützende Körperteil bei Krafteinwirkung in Richtung der Deformationsstruktur 1 bestimmungsgemäß in Kontakt mit dem Lastverteilerelement 14 vor der einen Oberfläche 13 des Deformationselementes 1 1 tritt.

Das Lastverteilerelement 14 weist eine größere Biegesteifigkeit sowie in einer möglichen Ausgestaltung auch eine größere Dehn- und/oder Schubsteifigkeit auf als das zugehörige Deformationselement 1 1 . Das E-Modul des Lastverteilerelementes 14 liegt zwischen 1 MPa und 72 GPa, bevorzugt zwischen 1 MPa und 5 GPa. Die Streckgrenze wird aus dem Bereich 0,1 MPa bis 100 MPa, bevorzugt aus dem Bereich 0,1 MPa bis 80 MPa, gewählt.

In einer zweiten Ausführungsform, wie sie Fig. 4 zeigt, wird bei der zuvor beschriebenen Deformationsstruktur 1 ein zweites Deformationselement 12 reibschlüssig (und/oder formschlüssig) mit dem Lastverteilerelement 14 auf eine solche Weise verbunden, dass das zweite Deformationselement 12 das Lastverteilerelement 14 an der dem ersten Deformationselement 1 1 abgewandten Seite abdeckt, so dass das Körperteil, das bestimmungsgemäß durch die Deformationsstruktur 1 geschützt werden soll, (ausschließlich) mit dem zweiten Deformationselement 12 in Kontakt tritt. In dieser Ausführungsform wirkt das zu schützende Körperteil nicht direkt auf das Lastverteilerelement 14 ein sondern auf das zweite Deformationselement 12. Bei hinreichend kleiner Krafteinwirkung durch das zu schützende Körperteil verhält sich die Deformationsstruktur 1 am Beginn vergleichbar zu einer Deformationsstruktur 1 ' ohne Lastverteilerelement 14, da durch die Krafteinwirkung zunächst ausschließlich das zweite Lastverteilerelement 14 verformt wird. Nimmt die Krafteinwirkung zu, so wird die einwirkende Kraft durch das zweite Deformationselement 12 an das Lastverteilerelement 14 weitergegeben. Bei hinreichend großer Krafteinwirkung zeigt die zweite Ausführungsform ein im Wesentlichen gleiches Verhalten wie die erste Ausführungsform.

Die Wirkungsweise der ersten Ausführungsform wird schematisch in den Fig. 5a und 5b dargestellt. Fig. 5a zeigt die gemäß Fig. 3 aufgebaute Deformationsstruktur 1 vor der Krafteinwirkung durch einen Kopfimpaktor K. Fig. 5b zeigt die dieselbe Deformationsstruktur 1 während der Krafteinwirkung durch einen Kopfimpaktor K. Wie in den Fig. 2a und 2b entspricht die dargestellte Anordnung der Anordnung bei einem typischen Impaktortest, bei dem ein Kinderkopfimpaktor K in eine Deformationsstruktur 1 fällt, und zwar vorliegend auf die mit dem Lastverteilerelement 14 versehene Oberfläche 13 des Deformationselementes 1 1 . Trifft der Kopfimpaktor K auf die Deformationsstruktur 1 , so wird die einwirkende Kraft durch das mit dem Kopfimpaktor K an der Kontaktstelle 4 in Kontakt tretende Lastverteilerelement 14 aufgenommen und an das darunterliegende Deformationselement 1 1 weitergegeben. Liegt die auf das Lastverteilerelement 14 einwirkende Kraft unter einem durch Material und Geometrie des Lastverteilerelementes 14 vorgebbaren Schwellwert, so wird das Lastverteilerelement 14 nicht verformt und die Kraft gleichmäßig auf das mit dem Lastverteilerelement 14 verbundene, darunter liegende Deformationselement 1 1 weitergegeben. Das Deformationselement 1 1 wird gleichmäßig über seine gesamte Kontaktfläche mit dem Lastverteilerelement 14 verformt. Die Größe der Kontaktstelle 4 zwischen Kopfimpaktor K und Deformationsstruktur 1 ändert sich nicht, da der Kopfimpaktor K nicht in die Deformationsstruktur 1 einsinkt.

Fig. 6 zeigt mögliche Verformungen des Lastverteilerelementes 14 bei einer Krafteinwirkung auf die dem Deformationselement 1 1 abgewandten Seite für unterschiedlich große Lasteinträge. Bleibt die Krafteinwirkung unter einem Schwellwert, so findet keine Verformung des Lastverteilerelementes 14 statt. Überschreitet die einwirkende Kraft diesen Schwellwert, so verformt sich das Lastverteilerelementes 14 um die Kontaktstelle, über die die Kraft auf das Lastverteilerelement 14 einwirkt in Richtung des Körpers, von dem die Krafteinwirkung ausgeht. Mit zunehmender Krafteinwirkung nimmt die Verformung zu. Die Einstellung des Schwellwertes erfolgt über die Materialeigenschaften des Lastverteilerelementes 14, wie E-Modul und Streckgrenze, aber auch über die geometrischen Eigenschaften wie Kerben, Löcher, Sollbruchstellen oder Gelenke.

Das Energieabsorptionsverhalten der Deformationsstruktur 1 kann an Hand eines Beschleunigungs-Verformungsweg-Diagramms (a-s-Diagramm) veranschaulicht werden. Das Diagramm zeigt die Bremsbeschleunigung in Abhängigkeit von dem Verformungsweg, den ein Körperteil zurücklegt, während es auf die Deformationsstruktur 1 einwirkt.

In Fig. 7 ist ein solches a-s-Diagramm für zwei unterschiedliche, typische Energieabsorptionsverhalten, die als Dreieckskennung und Rechteckskennung bezeichnet werden, schematisch dargestellt. Im Fall der Dreieckskennung nimmt die Beschleunigung linear mit dem Verformungsweg zu. Die Dreieckskennung beschreibt näherungsweise das Verhalten einer konventionellen Deformationsstruktur, wie sie Fig. 2 zeigt. Der obere Ast der Dreieckskennung, von links unten nach rechts oben durchlaufen, charakterisiert den Loading-Prozess der Umwandlung von Bewegungsenergie in potentielle Energie. Die Fläche unterhalb des Astes entspricht der Energie, die während des Loading-Prozesses übertragen wurde. Wird das Deformationselement 1 1 lediglich elastisch verformt, d.h. kommt es nicht zu Reibung oder plastischer Verformung, so wird die gesamte potentielle Energie beim Unloading- Prozess, der Umwandlung von potentieller Energie in Bewegungsenergie, wieder freigesetzt. In diesem Fall würde der Unloading-Prozess ebenfalls durch den oberen Ast der Dreieckskennung charakterisiert werden, der in umgekehrter Richtung durchlaufen würde. Bei Insassenschutzsystemen soll bei hinreichend großer Krafteinwirkung dagegen eine maximale Energieabsorption stattfinden. Bei maximaler Absorption wird die gespeicherte potentielle Energie nicht wieder in Bewegungsenergie umgesetzt. Hat das auf die Deformationsstruktur einwirkende Körperteil seinen maximalen Verformungsweg zurückgelegt und ist zum Stillstand gekommen, so sinkt die Beschleunigung auf Null. Auf das Körperteil wirkt keine Beschleunigung, die es in die Ausgangslage zurückzwingt. Dieses Verhalten wird durch die Dreieckskennung charakterisiert. Da eine höhere Beschleunigung eine höhere Belastung für das Individuum bedeutet, auf das die Beschleunigung wirkt, stellt ein Verhalten, wie es durch die Rechteckskennung charakterisiert wird, eine weitere Verbesserung eines Insassenschutzsystems dar. Die in Fig. 7 dargestellte Rechteckskennung schließt eine Fläche derselben Größe ein wie die Fläche, die durch die Dreieckskennung eingeschlossen wird. Das bedeutet, ein durch die Rechteckskennung charakterisiertes Verhalten einer Deformationsstruktur absorbiert prinzipiell dieselbe Energiemenge wie ein durch die Dreieckskennung charakterisiertes Verhalten bei identischem Verformungsweg, aber bei vorliegend halb so großer maximaler Beschleunigung. Ein Verhalten gemäß der Rechteckskennung stellt damit eine deutliche Verbesserung im Vergleich zu einem Verhalten gemäß Dreieckskennung dar.

Die in Fig. 3 und 4 beschriebenen Ausführungsformen der Energie absorbierenden Deformationsstruktur 1 mit Lastverteilerelement 14 zeigen im Wesentlichen ein Verhalten, wie es durch die Rechteckskennung charakterisiert wird. In Fig. 8 ist die Kennlinie L' einer vorbekannten Deformationsstruktur 1 ' nach Fig. 2 in Relation zur Kennlinie L der Deformationsstruktur 1 gemäß der in Fig. 3 beschriebenen Ausführungsform gesetzt. Die Kennlinie L' der vorbekannten Deformationsstruktur 1 ' entspricht im Wesentlichen einer Dreieckskennung. Die Kennlinie L der Ausführungsform gemäß Fig. 3 entspricht im wesentlichen einer Rechteckskennung mit einer maximalen Beschleunigung, die nur annähernd halb so groß ist wie die der vorbekannten Deformationsstruktur 1 ' und deren maximaler Verformungsweg nicht wesentlich von dem der Kennlinie L' abweicht. Bei bestimmungsgemäßer Krafteinwirkung eines Körperteils auf die Deformationsstruktur 1 gemäß Fig. 3 bleibt das Lastverteilerelement 14 zunächst unverformt und gibt die Kraft gleichmäßig auf das mit ihm verbundene, dahinter liegende Deformationselement 1 1 weiter. Die gleichmäßige Krafteinwirkung bewirkt zunächst eine stärkere Brems-Beschleunigung als bei einer vorbekannten Deformationsstruktur 1 '. Bei weiterer Krafteinwirkung auf das Lastverteilerelement 14 oberhalb eines für das Lastverteilerelement 14 charakteristischen Schwellwerts verformt sich das Lastverteilerelement 14 um die Kontaktstelle mit dem Kraft ausübenden Körperteil wie es Fig. 6 zeigt. Die Kontaktfläche zwischen Lastverteilerelement 14 und Deformationselement 1 1 wird reduziert und damit die Kraft, die auf das Deformationselement 1 1 ausgeübt wird. Dies begrenzt den weiteren Anstieg der Beschleunigung bzw. reduziert diesen sogar, wie es die Kennlinie L zu Fig. 3 zeigt.

Gemäß Figur 9a kann eine Einwirkung eines zu schützenden Körperteiles, hier repräsentiert durch einen Kopfimpaktor K, auf eine Deformationsstruktur 1 über deren Lastverteilerelement 14 zum einen dadurch erfolgen, dass das Körperteil, z.B. als Folge eines Fahrzeug-Crashes (in Pfeilrichtung) relativ zu der Deformationsstruktur 1 beschleunigt und gegen diese bewegt wird, womit ein Energieeintrag E verbunden ist.

Weiterhin kann gemäß Figur 9b eine Einwirkung eines zu schützenden Körperteiles, hier repräsentiert durch einen Kopfimpaktor K, auf eine Deformationsstruktur 1 über deren Lastverteilerelement 14 dadurch erfolgen, dass die Deformationsstruktur, z.B. als Folge eines Fahrzeug-Crashes (in Pfeilrichtung) einen Stoß durch ein Karosserieteil eines Kraftfahrzeugs erfährt, womit ein entsprechender Energieeintrag E verbunden ist und wobei die Deformationsstruktur 1 in Richtung auf das zu schützende Körperteil beschleunigt/bewegt wird.

Ferner kann auch eine Kombination der beiden vorgenannte Fälle auftreten. Nach Figur 10 ist das zu schützende Körperteil, repräsentiert durch einen Kopfimpaktor K, bestimmungsgemäß nicht vor dem Lastverteilerelement 14 sondern vor einem Stützelement /Träger T angeordnet, bei dem es sich z.B. um die Schale bzw. das Gehäuse eines Kindersitzes, vergl. Figur 1 , handeln kann. D.h., die Deformationsstruktur 1 liegt auf der dem bestimmungsgemäß zu schützenden Körperteil abgewandten Seite des Trägers T angeordnet. In diesem Fall ist das Lastverteilerelement 14 auf der Seite der Deformationsstruktur 1 angeordnet, die dem bestimmungsgemäß zu schützenden Körperteil abgewandt ist. Ein Energieeintrag E in die dem zu schützenden Körperteil abgewandte Seite der Deformationsstruktur 1 wird über das Lastverteilerelement 14 gleichmäßig in das Deformationselement 1 1 eingeleitet und dort absorbiert, so dass der Träger T nicht gegen das zu schützende Körperteil gedrückt wird.

Gemäß Fig. 1 1 kann auf beiden Seiten eines Trägers T jeweils eine Deformationsstruktur 1 , 1 ' mit einem Lastverteilerelement 14 angeordnet sein, wovon die eine ein dem bestimmungsgemäß zu schützenden Körperteil (Kopfimpaktor K) zugewandtes (und dem Träger T abgewandtes) Lastverteilerelement 14 aufweist und die andere auf der dem bestimmungsgemäß zu schützenden Körperteil abgewandten Seite ein (ebenfalls dem Träger T abgewandtes) Lastverteilerelement 14 aufweist, mit denen jeweils ein Energieeintrag E, E' in ein zugeordnetes Deformationselement 1 1 einleitbar ist, entsprechend einer Kombination der anhand Figur 9a und 10 erläuterten Effekte.

Mehrere Deformationsstrukturen können auch in Reihe geschaltet, d.h. gleichsinnig hintereinander angeordnet werden. Fig. 12 zeigt zwei derart in Reihe geschaltete Deformationsstrukturen 1 , 1 '. Beide Deformationsstrukturen 1 , 1 ' sind auf derselben Seite eines Trägers T angeordnet. Die eine Deformationsstruktur 1 ist neben dem bestimmungsgemäß zu schützenden Körperteil (Kopfimpaktor K) angeordnet, wobei das zur Deformationsstruktur 1 gehörige Lastverteilerelement 14 dem Körperteil (Kopfimpaktor K) zugewandt ist. Anschließend an die eine Deformationsstruktur 1 , auf der dem Träger T zugewandten Seite, befindet sich eine zweite Deformationsstruktur 1 ', deren Lastverteilerelement 14 zwischen dem Deformationselement 1 1 der einen Deformationsstruktur 1 und dem Deformationselement 1 1 der anderen (zweiten) Deformationsstruktur 1 ', welche sich am Träger T abstützt, liegt.

Claims

Patentansprüche

Energie absorbierende Deformationsstruktur zum Schutz des menschlichen Körpers mit einem Deformationselement (1 1 ), das dazu ausgebildet und vorgesehen ist, unter Deformation ein sich relativ zum Deformationselement (1 1 ) bewegendes menschliches Körperteil zurückzuhalten, und einer durch eine Festkörperfläche gebildeten Oberfläche (13) des Deformationselementes (1 1 ), auf die das Körperteil bestimmungsgemäß einwirkt, wenn das Körperteil von dem Deformationselement (1 1 ) zurückgehalten wird, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Oberfläche (13) des Deformationselementes (1 1 ), auf die das zu schützende Körperteil einwirkt, ein mit dem Deformationselement (1 1 ) verbundenes flächiges Lastverteilerelement (14) angeordnet ist, das eine größere Biegesteifigkeit aufweist als das Deformationselement (1 1 ), um die beim Einwirken des Körperteils auf das Lastverteilerelement (14) auftretenden Kräfte auf die vom Lastverteilerelement (14) überdeckte Oberfläche des Deformationselementes (13) zu verteilen.

Deformationsstruktur nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Lastverteilerelement (14) an der Oberfläche (13) anliegt.

Deformationsstruktur nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Lastverteilerelement (14) eine größere Dehnsteifigkeit aufweist als das Deformationselement (1 1 ).

4. Deformationsstruktur nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Lastverteilerelement (14) eine größere Schubsteifigkeit aufweist als das Deformationselement (1 1 ).

5. Deformationsstruktur nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Lastverteilerelement (14) in Form einer Platte ausgebildet ist.

6. Deformationsstruktur nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Lastverteilerelement (14) aus Metall, Kunststoff oder einer Kombination aus beidem besteht.

7. Deformationsstruktur nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Lastverteilerelement (14) bei einer unter einem Schwellwert liegenden Krafteinwirkung, z.B. durch das zu schützende Körperteil, sich nicht verformt, sondern die Kraft verteilt auf das mit dem Lastverteilerelement (14) verbundene, darunter liegende Deformationselement (1 1 ) weitergibt.

8. Deformationsstruktur nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Lastverteilerelement (14) so ausgebildet ist, dass es bei einer unter einem Schwellwert liegenden Krafteinwirkung, z.B. durch das zu schützende Körperteil, das dahinter liegende Deformationselement (1 1 ) verformt ohne selbst verformt zu werden.

9. Deformationsstruktur nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Lastverteilerelement (14) bei einer über einem Schwellwert liegenden Krafteinwirkung verformt.

10. Deformationsstruktur nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Lastverteilerelement (14) derart mit einem zweiten Deformationselement (12) verbunden ist, dass das zweite Deformationselement (12) bestimmungsgemäß zwischen dem zu schützenden Körperteil und dem Lastverteilerelement (14) positioniert ist.

1 1 . Deformationsstruktur nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Lastverteilerelement (14) reibschlüssig mit dem mindestens einen Deformationselement (1 1 ) verbunden ist.

12. Deformationsstruktur nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Lastverteilerelement (14) formschlüssig mit dem mindestens einen Deformationselement (1 1 ) verbunden ist.

13. Deformationsstruktur nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Deformationsstruktur (1 ) bei bestimmungsgemäßem Gebrauch an einem zugeordneten Stützelement (T) abstützt.

14. Deformationsstruktur nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass neben der einen Deformationsstruktur (1 ) mindestens eine zweite Deformationsstruktur (1 ') angeordnet ist.

15. Deformationsstruktur Anspruch 13 und 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Deformationsstrukturen (1 , 1 ') sich an gegenüberliegenden Seiten des Stützelementes (T) abstützen, wobei das Lastverteilerelement (14) der jeweiligen

Deformationsstruktur (1 , 1 ') an deren dem Stützelement (T) abgewandter Seite angeordnet ist.

16. Deformationsstruktur nach Anspruch 13 und 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Deformationsstrukturen (1 , 1 ') vor derselben Seite des Stützelementes (T) angeordnet sind, wobei die zweite Deformationsstruktur (1 ') sich an dem Stützelement (T) abstützt und die eine Deformationsstruktur (1 ) sich an der zweiten Deformationsstruktur (1 ') abstützt und wobei das Lastverteilerelement (14) der zweiten Deformationsstruktur (1 ') an der dem Stützelement (T) abgewandten Seite zwischen dem Deformationselement (1 1 ) der zweiten Deformationsstruktur (1 ') und dem Deformationselement (1 1 ) der einen Deformationsstruktur (1 ) angeordnet ist und das Lastverteilerelement (14) der ersten Deformationsstruktur (1 ) neben dem bestimmungsgemäß zu schützenden Körperteil (K) angeordnet ist.

17. Deformationsstruktur nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Deformationsstruktur (1 ) ausgebildet und vorgesehen ist zur Anordnung in einem Kraftfahrzeug.

18. Deformationsstruktur nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie in ein Kinderschutzsystem integriert ist.

19. Deformationsstruktur nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Deformationsstruktur (1 ) in mindestens einen Bereich eines Kinderschutzsystems dergestalt integriert ist, dass mindestens eine der verschiedenen Körperregionen Kopf-, Schulter-, Brust-, Bauch- und Beckenbereich eines bestimmungsgemäß im

Kinderschutzsystem untergebrachten Kindes durch die Deformationsstruktur (1 ) geschützt werden.

20. Deformationsstruktur nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Deformationselement (1 1 ) durch einen deformierbaren

Festkörper gebildet wird.

21 . Deformationsstruktur nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Deformationselement (1 1 ) durch einen Kunststoff gebildet wird.

22. Deformationsstruktur nach Anspruch 21 , dadurch gekennzeichnet, dass das Deformationselement (1 1 ) durch einen Schaumstoff gebildet wird.

23. Deformationsstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Deformationselement (1 1 ) ein Fluid enthält und eine das

Fluid umschließende Hülle (10) umfasst, wobei ein Teil der Hülle (10) die Oberfläche (13) bildet, vor der das Lastverteilerelement (14) angeordnet ist.

24. Deformationsstruktur nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülle (10) über Abströmöffnungen verfügt, über die das Fluid aus der

Deformationsstruktur (1 ) austreten und in die Deformationsstruktur (1 ) eintreten kann.

25. Deformationsstruktur nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid komprimierbar ist.

26. Fahrzeuginsassenschutzsystem mit einer Deformationsstruktur (1 ) zum Zurückhalten mindestens eines Körperteiles eines Fahrzeuginsassen, gekennzeichnet durch eine Ausbildung der Deformationsstruktur nach einem der vorherigen Ansprüche.

27. Kinderschutzsystem zur Aufnahme eines Kindes in einem Kraftfahrzeug und zum Schutz des Kindes bei Unfällen, mit einer Deformationsstruktur (1 ) zum Zurückhalten mindestens eines Körperteiles des Kindes, gekennzeichnet durch eine Ausbildung der Deformationsstruktur nach einem der vorherigen Ansprüche.

28. Kinderschutzsystem nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass das Kinderschutzsystem als Kindersitz ausgebildet ist.

29. Energie absorbierende Deformationsstruktur zum Schutz des menschlichen Körpers mit einem Deformationselement (1 1 ), das dazu ausgebildet und vorgesehen ist, bei einem von außen eingebrachten Energieeintrag unter Deformation Energie zu absorbieren, um einer Weiterleitung von Energie auf ein neben dem Deformationselement (1 1 ) angeordneten menschlichen Körperteil entgegenzuwirken, und einer durch eine Festkörperfläche gebildeten Oberfläche (13) des Deformationselementes (1 1 ), auf die der Energieeintrag bestimmungsgemäß einwirkt, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Oberfläche (13) des Deformationselementes (1 1 ), auf die der Energieeintrag einwirkt, ein mit dem Deformationselement (1 1 ) verbundenes flächiges Lastverteilerelement (14) angeordnet ist, das eine größere Biegesteifigkeit aufweist als das Deformationselement (1 1 ), um die beim Einwirken des Energieeintrags auf das Lastverteilerelement (14) auftretenden Kräfte auf die vom Lastverteilerelement (14) überdeckte Oberfläche des Deformationselementes (13) zu verteilen.