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Dokumentenidentifikation DE60208611T2 19.10.2006
EP-Veröffentlichungsnummer 0001293390
Titel Enerergieabsorbierendes System mit Konus und auseinanderlaufenden Rohr
Anmelder Alcoa Inc., Pittsburgh, Pa., US
Erfinder Summe, Todd L., Pittsburgh, PA 15217, US;
Yeh, Jieh-Ren, Pittsburgh, PA 15220, US;
Stull, Eric M., Delmont, PA 15626, US
Vertreter derzeit kein Vertreter bestellt
DE-Aktenzeichen 60208611
Vertragsstaaten AT, BE, BG, CH, CY, CZ, DE, DK, EE, ES, FI, FR, GB, GR, IE, IT, LI, LU, MC, NL, PT, SE, SK, TR
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 14.08.2002
EP-Aktenzeichen 020183687
EP-Offenlegungsdatum 19.03.2003
EP date of grant 11.01.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 19.10.2006
IPC-Hauptklasse B60R 19/34(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP
IPC-Nebenklasse B62D 21/15(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   

Beschreibung[de]
STAND DER TECHNIK

Die vorliegende Erfindung betrifft Systeme und Verfahren für das Energiemanagement bei einem Aufprall, und im Besonderen betrifft die vorliegende Erfindung Systeme und Verfahren zur Energieabsorption in Anwendungen in Kraftfahrzeugen unter Verwendung eines Reduzier- und Aufweitungs-Energieabsorptionssystems.

Das Design für das Aufprallenergieaufnahmevermögen ist ein außerordentlich wichtiger Aspekt in Bezug auf das Fahrzeug- und Karosseriedesign. Der primäre Aspekt in Bezug auf das Design hinsichtlich des Aufprallenergieaufnahmevermögens ist die Bereitstellung einer Einrichtung zur Verteilung der kinetischen Energie durch Verformungsarbeit innerhalb der Fahrzeugstruktur. In aktuellen Energieaufnahmedesignsystemen, wie etwa in axial kollabierten oder invertierten Quetschröhren, ist ein besonders verformbarer Werkstoff aufgrund extremer Belastungszustände, die während der Verformung auftreten, von besonderer Bedeutung. Ferner ist die Höhe der Energieabsorption besonders empfindlich hinsichtlich der Qualität und der Kontrolle der Werkstoffe. Die verfügbaren Werkstoffe, die diese Anforderungen erfüllen, im Besonderen in Bezug auf Nichteisen-Werkstoffe, können beschränkt sein, und die resultierenden Produktkosten können deutlich höher ausfallen.

Eine kennzeichnende, dem Stand der Technik entsprechende Anwendung kann eine axiale Faltkollabiertechnik einsetzen, wobei eine vorher mit Ausbuchtungen versehene hohle Röhre 100 der Länge nach in einem gleichmäßigen Muster 110 (siehe 1) zusammengedrückt wird. Diese dreieckigen oder andersförmigen Ausbuchtungen (nicht abgebildet) sorgen dafür, dass die Quetschröhre in dem „natürlichen Modus" kollabiert, wobei daraufhin die erwarteten Ergebnisse erzeugt werden können. Für gewöhnlich werden diese dem Stand der Technik entsprechenden Quetschröhren 100 aus Aluminiumlegierungen hergestellt, wobei aber auch zahlreiche andere Werkstoffe eingesetzt werden. Einige herkömmliche Quetschröhreneinheiten können auch keine Ausbuchtungen aufweisen.

Diese herkömmlichen Quetschröhren werden für gewöhnlich hinter dem vorderen Stoßstangenbereich eines Kraftfahrzeugs oder eines Lastkraftwagens eingebaut. Die Röhre ist an einem Ende an einer Schiene an der Karosserie des Kraftfahrzeugs und an dem anderen Ende an der Stoßstange angebracht. Somit bewirkt die Kraft einer späteren Kollision, die senkrecht zu der Vorderseite der Stoßstange wirkt, eine axiale Kompressionskraft auf die installierte Quetschröhre, wodurch bewirkt wird, dass diese kollabiert. Diese Röhren können auch in der hinteren Stoßstange von Kraftfahrzeugen oder in einer anderen Ausrichtung oder einem anderen System installiert werden, in dem eine räumlich begrenzte Absorption einer abrupten axialen Belastung wünschenswert ist.

Die herkömmlichen Quetschröhrenanwendungen können einen oder mehrere Nachteile aufweisen, die deren kontrollierten Einsatz in zahlreichen Anwendungen verhindern. Zum Beispiel muss die Röhre aufgrund der starken Quetschwirkung aus einem nachgiebigen Werkstoff hergestellt werden, wie zum Beispiel einer besonderen Aluminiumlegierung. Derartige Metalle mit hoher Nachgiebigkeit sind für gewöhnlich teurer als weniger nachgiebige bzw. verformbare Werkstoffe. Wenn Werkstoffe mit einer geringeren Verformbarkeit eingesetzt werden, können diese Risse bilden oder sich spalten und somit einen Teil des Energieaufnahmevermögens oder das ganze Energieaufnahmevermögen verlieren.

Wie dies aus der Abbildung aus 1 ersichtlich ist, erstreckt sich die „Quetschzone" 110, in welche die Röhre 100 verdichtet wird, nicht über die gesamte Länge der Quetschröhre 100. Somit werden in Bezug auf die Energieabsorption die nicht gequetschten bzw. zusammengedrückten Bereiche der Quetschröhre 100 verschwendet. Tests haben gezeigt, dass eine herkömmliche Quetschröhrenanwendung nur ungefähr 70% bis 75% der Länge der Quetschröhre zusammendrücken kann.

Aufgrund der intensiven und strukturierten Art, wie die herkömmliche Anwendung in einem natürlichen Modusmuster gequetscht wird, werden diese Quetschröhren für gewöhnlich gemäß sehr engen Toleranzen hergestellt. Selbst kleine Abweichungen hinsichtlich der Dicke des Materials der Quetschröhre können bei einem Aufprall eine große Abweichung der Energieabsorption bewirken. Zum Beispiel kann eine Schwäche in einem Bereich der Röhre bewirken, das die Röhre in diesem Bereich knickt bzw. sich verkrümmt, mit dem Ergebnis, dass sich die Röhre nicht so verhält, wie dies vorgesehen ist, und wobei sie unter Umständen nicht die erforderliche Energiemenge für die vorgesehene Anwendung absorbiert bzw. aufnimmt.

Selbst bei normalem Einsatz sind diese herkömmlichen Quetschröhrenanwendungen nicht ideal. Zum Beispiel schwingt die durch den Prozess des „Kollabierens" verteilte Kraft um die mittlere Kraftverteilung des Systems. Somit werden durch die herkömmlichen Verfahren hohe Spitzenkräfte erzeugt. Diese Spitzenbelastungen können den Fahrzeuginsassen des Fahrzeugs ein Gefühl eines „ruckartigen Anhaltens" vermitteln, und sie können eine Verstärkung der Stützstrukturen erforderlich machen, wodurch die Spitzenbelastungen beim Quetschen der Quetschröhre erhöht werden. Dies kann die Sicherheit der Fahrzeuginsassen verringern.

Da die bestehenden Technologien ferner nur etwa 70% der ursprünglichen Quetschröhrenlänge für die Energieabsorption verwenden, sind hohe Belastungen erforderlich, um die erforderliche Energie innerhalb des gegebenen Raums zu absorbieren. Im Falle von Kraftfahrzeugen sind die auf die Fahrzeuginsassen ausgeübten Kräfte somit entsprechend hoch, was ebenfalls die Sicherheit der Fahrzeuginsassen negativ beeinflussen kann.

Diese verschiedenen Einschränkungen hinsichtlich der aktuellen Implementierung axial belasteter Quetschröhren-Absorptionssysteme werden vorzugsweise durch eines oder mehrere der Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung adressiert.

Das U.S. Patent US-A-3.236.333 offenbart eine Energieaufnahmeeinrichtung mit einer Röhre, einem ringförmigen Spaltkeil und einem ringförmigen Steuerring. Bei einem Aufprall wird bewirkt, dass sich die Röhre auswärts erweitert, bis die Röhre die Spaltbelastungen erreicht hat. DE 29907513 offenbart ein Energieabsorptionssystem gemäß dem Oberbegriff aus Anspruch 1, wobei eine Quetschröhre durch eine Reduzierkomponente radial zusammengedrückt wird.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, dieses Energieaufnahmesystem weiter zu verbessern.

Vorgesehen sind gemäß der vorliegenden Erfindung ein Energieabsorptionssystem und ein Verfahren, wobei das System und das Verfahren allgemein eine Quetschröhre, eine Reduzierkomponente und eine Aufweitungskomponente umfassen. Die Quetschröhre wird in eine zusammenpassende Öffnung bzw. ein passendes Loch in der Reduzierkomponente eingeführt. Wenn die Reduzier- und Aufweitungskomponenten über die Quetschröhre bewegt werden, reduziert die Reduzierkomponente den Durchmesser der Quetschröhre, und die Aufweitungskomponente teilt die Quetschröhre in eine Mehrzahl von Teilstücken. Bei einer Anbringung, bei der sich die Längsachse der Quetschröhre parallel zu einer Aufprallachse erstreckt, eignet sich die vorliegende Erfindung zur Absorption bzw. Aufnahme eines Teils oder des ganzen Aufpralls, indem die Energie durch Reduzierung, Aufweitung, Reibung und andere Verfahren verteilt wird.

Vorgesehen ist gemäß der vorliegenden Erfindung ein Energieabsorptionssystem, das folgendes aufweist: eine Quetschröhre; eine Reduzierkomponente mit einer Öffnung an einem ersten Ende, die die genannte Quetschröhre aufnehmen und die Quetschröhre bei einem Aufprall einwärts in eine quer zu der Längsachse der Quetschröhre zusammendrücken kann; und gekennzeichnet durch eine Aufweitungskomponente, die an einem zweiten Ende der genannten Reduzierkomponente angebracht ist, wobei die genannte Aufweitungskomponente die genannte Quetschröhre bei einem Aufprall aufweiten kann.

Vorgesehen ist gemäß der vorliegenden Erfindung ferner ein Verfahren zum Absorbieren von Energie in eine Richtung, wobei das genannte Verfahren gekennzeichnet ist durch: das Bereitstellen einer Quetschröhre, einer Reduzierkomponente und einer Aufweitungskomponente; das Einführen eines Endes der genannten Quetschröhre in die genannte Reduzierkomponente; und das Ausrichten der genannten Quetschröhre, der genannten Reduzierkomponente und der genannten Aufweitungskomponente, so dass die genannte Reduzierkomponente den Durchmesser der Quetschröhre reduziert, und wobei es die Aufweitungskomponente ermöglicht, dass fragmentierte Abschnitte der Quetschröhre die Aufweitungskomponente verlassen, wenn die Quetschröhre parallel zu der Längsachse der Quetschröhre in eine Richtung in Richtung der Reduzier- und Aufweitungskomponenten verschiebt.

Die Quetschröhre kann eine Mehrzahl von Initiatorschlitzen aufweisen, um den Aufweitungsprozess zu unterstützen, und wobei die Quetschröhre ein kreisförmiges, ovales, quadratisches, rechteckiges, hexagonales oder anderes Querschnittsprofil aufweisen kann. Die Reduzier- und Aufweitungskomponenten sind vorzugsweise dazu geeignet, eine oder mehrere dieser Quetschröhrenausrichtungen anzunehmen.

Die vorliegende Erfindung kann Werkstoffe verwenden, die zur Verwendung mit herkömmlichen axialen Aufprallaufnahmesystemen nicht zulässig sind. Zum Beispiel kann ein Werkstoff verwendet werden, der weniger verformbar ist.

In mindestens einem zurzeit bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die Erfindung in einem Kraftfahrzeug, einem Lastkraftwagen oder einem anderen Fahrzeug eingebaut, um ganz oder teilweise den Stoß bzw. die Stoßwirkung eines Aufpralls zu absorbieren. Zum Beispiel kann das Energieabsorptionssystem zwischen einer Schiene an der Karosserie oder einem Rahmen des Kraftfahrzeugs und einem Stoßfänger bzw. einer Stoßstange angebracht werden. Da das vorliegende Absorptionssystem allgemein Energie entlang einer einzigen Aufprallachse verteilt, können zwei oder mehr der vorliegenden Absorptionssysteme an einer Mehrzahl von Positionen und in einer Mehrzahl von Ausrichtungen in einem Fahrzeug installiert werden, um Aufprallstöße in verschiedenen Aufprallwinkeln und an verschiedenen Positionen zu absorbieren bzw. aufzunehmen. Die vorliegende Erfindung kann ferner in anderen Anwendungen mit axialer Belastung eingesetzt werden, wie zum Beispiel in Zügen, Barrieren bzw. Sperren, Aufzügen, Trägern und dergleichen.

Diese und weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden für den Fachmann auf dem Gebiet aus der folgenden genauen Beschreibung der Erfindung, der Zusammenfassung und den beigefügten Ansprüchen leicht deutlich.

Zum besseren Verständnis und zur einfachen Ausführung der vorliegenden Erfindung wird die vorliegende Erfindung in Bezug auf die folgenden Abbildungen beschrieben, wobei die gleichen oder ähnliche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind, wobei die Abbildungen Teil und Gegenstand der Patentschrift sind. In den Zeichnungen zeigen:

1 eine herkömmliche Quetschröhre nach der teilweisen Verformung;

2 Details eines zurzeit bevorzugten Ausführungsbeispiels eines Energieabsorptionssystems;

3 eine Schnittansicht eines Reduzier- und Aufweitungs-Energieabsorptionssystems;

4 eine Perspektivansicht eines Reduzier- und Aufweitungs-Energieabsorptionssystems nach einem Aufprall; und

5 einen Graphen der Quetschbelastung versus der der Quetschstrecke für ein repräsentatives Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung und eine herkömmliche, axial kollabierende Quetschröhre.

Hiermit wird festgestellt, dass die Abbildungen und Beschreibungen der vorliegenden Erfindung vereinfacht wurden, um die für ein umfassendes Verständnis der vorliegenden Erfindung relevanten Elemente zu veranschaulichen, während zur besseren Veranschaulichung und um die Erfindung nicht unnötig zu verschleiern, auf allgemein bekannte Elemente verzichtet worden ist. Der Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet wird erkennen, dass weitere Elemente wünschenswert und/oder erforderlich sind, um die vorliegende Erfindung zu implementieren. Da diese Elemente jedoch im Fach allgemein bekannt sind, und da sie zu keinem besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung beitragen, wird hierin auf eine Beschreibung dieser Elemente verzichtet. Die genaue Beschreibung ist nachstehend in Bezug auf die anhängigen Zeichnungen ausgeführt.

In mindestens einem zurzeit bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein Energieabsorptionssystem vorgesehen, das eine Reduzierkomponente, eine Aufweitungskomponente und eine Quetschröhrenkomponente umfasst. Eine axiale Belastung bzw. Last wird zuerst durch die Quetschröhre absorbiert, wenn diese durch die Reduzierkomponente zusammengedrückt wird, und danach, wenn sie durch die Aufweitungskomponente geteilt wird. die Reduzierkomponente und die Aufweitungskomponente können in einer einzigen „Reduzier- und Aufweitungskomponente" kombiniert werden. Die vorliegende Erfindung kombiniert vorzugsweise die Vorteile der Reduzierung und der Aufweitung von Quetschröhren in einem einzigen Energieabsorptionssystem.

Die Abbildung aus 2 zeigt im Detail ein zurzeit bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer Energieabsorptionseinheit 200 gemäß der vorliegenden Erfindung. In der Abbildung aus 2 ist eine gegossene, bearbeitete oder gefertigte Reduzier- und Aufweitungskomponente 205 so ausgerichtet, dass sie das Ende einer Quetschröhre 210 aufnimmt, welche aufgebrochen dargestellt ist, da sie allgemein länger ist als die aus der Abbildung aus 2. Die Quetschröhre 210 ist als ein Zylinder mit einem runden Profil dargestellt, wobei die Röhre auch mit anderen Ausrichtungen und Profilformen gestaltet werden kann, wie dies nachstehend im Text beschrieben wird. Wenn ein aufprallender Körper eine axiale Last (eine Last parallel zu der Längsachse der Quetschröhre 210) auf die Reduzier- und Aufweitungseinheit 200 ausübt (d.h. ein „Aufprall" tritt ein), so rutscht die Reduzier- und Aufweitungskomponente 205 über die Quetschröhre 210 und reduziert die Röhre (komprimiert den radialen Durchmesser der Röhre).

Wenn die Reduzier- und Aufweitungskomponente 205 durch die kontinuierliche oder zusätzliche axiale Last weiter entlang der Quetschröhre 210 verläuft, wird der verjüngte Abschnitt der Röhre in mehrere Teile („Elemente") geteilt („aufgeweitet"). Die Reduzier- und Aufweitungskomponente 205 bewegt sich weiter nach unten entlang der Quetschröhre 210, bis die ganze Energie von dem Aufprall absorbiert ist oder bis das Ende der Quetschröhre 210 erreicht ist.

Im Besonderen zeigt die Abbildung aus 3 eine Schnittansicht einer bevorzugten Reduzier- und Aufweitungseinheit 300, die parallel zu der Längsachse der Quetschröhre 310 geschnitten ist. Die Quetschröhre 310 tritt durch eine Öffnung 315 in die Reduzier- und Aufweitungskomponente 305 ein, welche vorzugsweise nur etwas größer ist als das Profil der Quetschröhre 310. Wenn die Reduzier- und Aufweitungskomponente 305 nach unten über die Quetschröhre 310 gedrückt wird (oder ebenso wenn die Quetschröhre nach oben in die Reduzier- und Aufweitungskomponente gedrückt wird), tritt die Quetschröhre in den „verjüngenden" Abschnitt 320 der Reduzier- und Aufweitungskomponente 305 ein, die allgemein eine stufenweise Verringerung der Größe des Profils der Quetschröhre 310 aufweist.

Wenn die Quetschröhre 310 zum Beispiel einen Zylinder mit rundem Profil darstellt, der einen Durchmesser von X Millimetern aufweist, wo kann es sich bei der Reduzier- und Aufweitungsöffnung 315 um eine runde Öffnung mit einem Durchmesser von etwas mehr als X Millimetern handeln, und die Reduzierkomponente 320 kann diesen Durchmesser allmählich auf ungefähr X-Y-Millimeter reduzieren. Diese Verjüngung absorbiert Energie durch die Verformung der Quetschröhre (wie dies nachstehend im Text näher beschrieben ist).

Wie dies in der Abbildung aus 2 dargestellt ist, ist die Quetschröhre 210 vorzugsweise mit kleinen Initiatorschlitzen 215 versehen (die in der Abbildung aus 2 als kleine Dreiecke dargestellt sind), die an verschiedenen Positionen um das Ende der Röhre 210 angeordnet sind, das in die Reduzier- und Aufweitungskomponente 205 eintritt. Das Drücken des geteilten Endes der Quetschröhre 210 auf den „Kegel" 325(3) der Aufweitungskomponente bewirkt, dass sich die Röhre in separate Segmente oder „Elemente" bzw. „Blätter" 330 teilt. Die Blätter 330 weiten sich von der zentralen Achse der Quetschröhre 310 auf. Anders ausgedrückt beginnen der „reduzierte" und geteilte Teil der Röhre, wenn die Reduzier- und Aufweitungskomponente 305 weiter nach unten über die Quetschröhre 310 gedrückt wird, in eine Reihe von Teilstücken bzw. Elementen 330 zu kelchen (vorgegeben durch die Anzahl der Initiatoren 215, die in die Röhre geschnitten sind). Vorzugsweise ist keine weitere Führung der Kelche 330 erforderlich, vielmehr kann in bestimmten Anwendungen ein Führungsschlitz 220 oder ein anderer Führungsmechanismus verwendet werden, um die Eigenschaften der auf geweiteten Quetschröhre besser zu regeln.

Zur deutlicheren Darstellung entsprechen die kleinen Segmente 313, die zwischen den Reduzier- und Aufweitungskomponenten dargestellt sind, der geringen Materialmenge zwischen benachbarten Führungsschlitzen 220. Wenn der Querschnitt aus 3 leicht entlang der Längsachse gedreht wird (so dass der Querschnitt durch die Führungsschlitze 220 erfolgt), so wären diese Segmente 313 nicht vorhanden. Die Reduzier- und Aufweitungskomponenten sind in der Abbildung aus 3 als ein Teil 305 dargestellt, wobei diese Komponenten auch als zwei oder mehr separate Teile hergestellt werden können, die später miteinander verschraubt oder anderweitig aneinander befestigt werden.

Bevorzugte Messungen für die Initiatorschlitze 215 können jeweils ungefähr sechs Millimeter tief und zwei Millimeter breit sein. Wenn die Reduzier- und Aufweitungskomponente 305 weiter nach unten über die Quetschröhre 310 geschoben wird und die Aufweitung fortgesetzt wird, falten sich die aufgeweiteten Blätter bzw. Kelche 330 allgemein nach hinten über sich selbst („kräuseln"), wie dies der natürlichen (ungeführten) Art der Verformung entspricht. Die Führungsschlitze 220 in dem Aufweitungsabschnitt der Reduzier- und Aufweitungskomponente 305 können praktisch ein Fenster oder ein Loch für die Kräuselung der aufgeweiteten Kelche 330 vorsehen, wobei die Blätter bzw. Kelche auf jede Art und Weise geführt werden können, so dass die resultierende Reibung zunimmt (und somit die resultierende Energieverteilung). Die radiale Komprimierung der Röhre 310 durch die Reduzierkomponente verhindert es vorzugsweise, dass der „geteilte" Bereich nach unten in den nicht reduzierten Abschnitt der Quetschröhre verläuft und einen Ausfall oder eine Reduzierung der Energieabsorption in dem System bewirkt.

Die Abbildung aus 4 zeigt eine Perspektivansicht eines Ausführungsbeispiels eines Reduzierungs- und Aufweitungs-Energieabsorptionssystems 400 nach einem Aufprall. Die Reduzier- und Aufweitungskomponente 405 wurde nach unten über den Großteil der Quetschröhre 410 gedrückt, und die verschiedenen Blätter 430 (in diesem Fall vier) sind nach hinten über die Reduzier- und Aufweitungseinheit gekräuselt dargestellt. Von außerhalb der Einheit sind das freie Ende der Quetschröhre und die resultierenden reduzierten und aufgeweiteten „Enden" 430 der Quetschröhre ersichtlich. Zu der durch das System verteilten Energie zählt unter anderem die gesamte Energie, die verwendet wird, um die Zylinder zwischen diesen beiden Zuständen zu verformen (von der Röhre 410 zu den geteilten Blättern 430).

Technischer betrachtet eignet sich das erfindungsgemäße Energieabsorptionssystem vorzugsweise zur Verbreitung der Energie eines Aufpralls auf unterschiedlichste Art und Weise.

Reduzierung des Durchmessers der Quetschronre der große Teil der Energie absorbiert. Die während der Reduzierung verteilte Energiemenge basiert allgemein auf einem Rückgang des Durchmessers der Röhre während der Komprimierung und der Kunststoff-Strömungsbelastung des Röhrenmaterials. Die resultierende Quetschröhre weist allgemein einen reduzierten Durchmesser, eine größere Dicke und eine reduzierte Länge auf.

Darüber hinaus verteilt die Aufweitung der Quetschröhre in mehrere Blätter allgemein Arbeit durch Reibung und Metallbruch und Zerreißen. Es kommt zu Reibung, wenn die Röhre über die sich aufweitende Vorrichtung gedrückt wird. Ferner wird Energie durch Reißen des Materials verteilt.

Die vorliegende Erfindung ermöglicht vorzugsweise den Einsatz eines deutlich größeren prozentualen Anteils der ursprünglichen Länge der Quetschröhre für die Energieabsorption im Verhältnis zu der herkömmlichen axialen Komprimierungs- bzw. Kompressionstechnologie. Tests haben gezeigt, dass die Längennutzung ungefähr 90% im Vergleich zu 70% für die vorstehend beschriebenen Technologien entsprechen kann. Bei einem gegebenen festgelegten Raum, wie zum Beispiel zwischen einer Fahrzeugstoßstange und dem Rahmen bzw. der Karosserie, sieht die vorliegende Erfindung vorzugsweise eine gleichmäßige Energieabsorption mit geringeren Spitzenbelastungen vor und somit auch eine bessere Sicherheit für die Fahrzeuginsassen in dem Fahrzeug. Zusätzlich zu dem höheren Sicherheitspotenzial ermöglicht die vorliegende Erfindung den Einsatz von Werkstoffen mit deutlich geringerer Verformbarkeit als wie sie für herkömmliche Technologien erforderlich ist. Somit können die Kosten für das vorliegende System gesenkt werden, und die Zuverlässigkeit des vorliegenden Systems kann erhöht werden.

Die Abbildung aus 5 zeigt einen Graphen der Energieaufnahme (der Quetschbelastung) versus der Quetschstrecke in einem Reduzierungs- und Aufweitungs-Energieabsorptionssystem gemäß der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu dem herkömmlichen axial kollabierenden Energieabsorptionssystem. Die Abbildung aus 5 zeigt, dass die Verschiebung der Quetschröhre durch die Reduziereinheit allgemein in linearem Verhältnis zu der Kraft steht, die auf die Röhre entlang deren Längsachse ausgeübt wird. An der Stelle, an welcher das komprimierte Ende der Röhre die Reduziervorrichtung verlässt, dauert die Verschiebung der Quetschröhre auf einem ungefähr gleichmäßigen Kraftniveau an (gleichmäßiger Zustand). Da der Montagevorgang vorzugsweise für den ersten Teil der Lastkurve verantwortlich ist, was nur auf die Reduzierung zurückzuführen ist, entspricht die während einem Aufprall erfahrene Quetschbelastung ungefähr der Dauerzustands-Quetschbelastung. Somit wird bei niedrigen Spitzenlastanforderungen eine hohe Energieaufnahmeeffizienz in der Stoß- bzw. Quetschschiene und der Trägerstruktur erreicht. Dies führt dank reduzierter Spitzenverlangsamungen zu einer verbesserten Fahrzeuginsassensicherheit.

Der höchste Punkt der Kurven aus 5 ist die Spitzenlast der Energieabsorptionssysteme. Da eine größere anfängliche Belastung für das Einsetzen des Quetschens herkömmlicher Systeme erforderlich ist, weist das herkömmliche System eine höhere Spitzenbelastung auf als die vorliegende Erfindung. In dem Beispiel aus der Abbildung aus 5 ist die Spitzenlast für die Quetschröhre und die Sicherungsstruktur der vorliegenden Erfindung als ungefähr 15% niedriger als die herkömmliche Einheit dargestellt. Diese niedrigeren Spitzenlasten führen vorzugsweise dazu, dass ein Insasse eines Kraftfahrzeugs während einem Aufprall eine geringere Verlangsamung „empfindet", wodurch die Sicherheit der Fahrzeuginsassen bei langsameren Fahrzeuggeschwindigkeiten zunimmt.

Die Dauerzustands-Quetschbelastung ist in Bezug auf die vorliegende Erfindung ferner deutlich höher als die herkömmlicher Energieabsorptionssysteme. Nachdem die Reduzierkomponente der vorliegenden Erfindung „vorbelastet" worden ist (wie dies nachstehend im Text näher beschrieben ist), erreichen die Systeme eine Dauerzustands-Quetschbelastung über einen Großteil der Länge der Quetschröhre, wie dies in der Abbildung aus 5 ersichtlich ist. Die herkömmliche Einheit weist vergleichsweise weite Schwingungen mit einer mittleren Dauerzustands-Quetschbelastung auf, die ungefähr 30 bis 35% niedriger ist als bei der vorliegenden Erfindung. Die vorliegende Erfindung kann somit in der Lage sein, mehr Energie je Verschiebungseinheit zu absorbieren als wie dies gemäß dem Stand der Technik der Fall ist. Eine höhere Absorption der Quetschbelastung insgesamt kann weiter verstärkt werden, da ein höherer prozentualer Anteil der Länge der Quetschröhre in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu herkömmlichen Systemen verwendet werden kann.

Die Fähigkeit von dem Stand der Technik entsprechenden Systemen zum Absorbieren von Belastungen basiert für gewöhnlich auf den verwendeten Werkstoffen bzw. Materialien, der Geometrie der Röhren und der Dicke der Röhren. Vorzugsweise kann die vorliegende Erfindung in Verbindung mit einer größeren Vielfalt von Materialien bzw. Werkstoffen verwendet werden. Im Besonderen kann die vorliegende Erfindung mit Aluminiumlegierungen der Serie 6000 verwendet werden, wie etwa der Vergütung 6260 und 6063-T6. Viele dieser Legierungen sind allgemein erhältlich und zählen zu den preisgünstigsten Metalllegierungen dieser Art. Die vorliegende Erfindung kann auch in Verbindung mit Stahl eingesetzt werden. Die Reduzierkomponente oder die Reduzier- und Aufweitungskomponente können beide aus Stahl, Aluminium, Magnesium oder anderen Werkstoffen hergestellt werden.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird die Reduzierungs- und Aufweitungs-Energieabsorptionseinheit hinter der Stoßstange eines Fahrzeugs installiert. Im Besonderen werden die Quetschröhre und die Reduzier- und Aufweitungskomponente angeschweißt oder anderweitig zwischen einer Schiene der Fahrzeugkarosserie und der Stoßstange des Fahrzeugs befestigt. Die Reduzier- und Aufweitungskomponente(n) können unmittelbar hinter der Stoßstange ausgerichtet sein oder zwischen der Quetschschiene und der Sicherungsstruktur (dem Inneren des Fahrzeugrahmens). Ein Installationsschritt der „Vorbelastung" für das Reduzierungs- und Aufweitungssystem umfasst das Einführen des Endes der Quetschröhre in die Reduzierkomponente bis an den Punkt unmittelbar vor der Aufweitung. In dem Fahrzeug erfolgt vorzugsweise eine Teilmontage der Quetschröhre an der Reduzierkomponente, indem die Röhre einfach in die Reduzierung gedrückt wird. Diese vorab ausgeführte Einführung erhöht die Energiekapazität des Systems (siehe 5).

In kennzeichnenden Energieabsorptionssystemen stellt Materialbruch ein unerwünschtes Ereignis dar, wobei der Bruch in Verbindung mit dem vorliegenden Konzept auf das freie Ende der Röhre beschränkt ist, da das durch die Reduzierkomponente erzeugte Druckbelastungsfeld es nicht zulässt, dass sich der Bruch über die Reduzierung hinaus ausbreitet. Die Reduzierkomponente stellt eine strukturelle Verbindung zwischen der Röhre und dem Rest der Struktur bereit. Somit wird die strukturelle Integrität während dem Aufprallereignis aufrechterhalten.

Die Beispiele der vorliegenden Offenbarung umfassen zwar den Einsatz einer hohlen, runden Quetschröhre, wobei es jedoch auch möglich ist, andere Quetschröhrenprofile zu verwenden, wie zum Beispiel ovale, quadratische, rechteckige, hexagonale, oktagonale und andere Profile zu verwenden. Die Reduzier- und Aufweitungskomponente kann sich dazu eignen, diese verschiedenen Quetschröhrenprofile anzuerkennen. Im Besonderen können verschiedene Reduzier- und Aufweitungskomponenten mit unterschiedlichen Öffnungen gestaltet sein, um verschiedene Quetschröhrenprofile zuzulassen. Diese „alternativen Quetschröhren" können auch allgemein übliche Aluminiumlegierungen verwenden, wie zum Beispiel die luftabgeschreckten Legierungen 6063-T6 und 6060-T6 für primäre Energieaufnahmeelemente sowie andere Werkstoffe als Aluminium. Das Reduzier- und Aufweitungssystem kann potenziell den Einsatz üblicherer Legierungen ermöglichen, welche somit die Kosten und die Materialversorgungslage verbessern.

Zusätzlich zu Aspekten in Bezug auf die Legierung verwendet die bestehende Energieabsorptionstechnologie kennzeichnenderweise 70 bis 75% der Länge des ursprünglichen Elements für die Energieabsorption. Aufgrund der höheren durchschnittlichen Quetschbelastungsfähigkeit und der Effizienz der Quetschlänge weist das vorliegende Reduzierungs- und Aufweitungskonzept das Potential auf, das Aufprallenergieaufnahmevermögen eines Fahrzeugs deutlich dadurch zu verbessern, dass mehr Energie bei geringerem Eindringen in den Fahrgastraum absorbiert wird.

Für die Designkonzepte, welche Gussstücke für die Reduzier- und Aufweitungskomponente verwenden, wird davon ausgegangen, dass Advanced Green Sand Casting (AGSC) oder dauerhafte Formgussverfahren am besten geeignet sind in Anbetracht der Größe, der Dicke und der verfügbaren Legierungen. Da es sich bei den Verbindungsstücken, welche die Reduzier-, Aufweitungs- und Quetschröhre miteinander verbinden, vorzugsweise um mechanische Verbindungsstücke handelt, ist ein Einsatz jeder Kombination aus Bauweise bzw. Design und Werkstoffen jeder Komponente möglich (z.B. können eine Stahlröhre und eine Stahlaufweitung in Verbindung mit einer gegossenen Reduzierung verwendet werden). Diese höhere Flexibilität ist aufgrund der vorstehend beschriebenen Einschränkungen in Bezug auf die Bauweise in dem herkömmlichen Energieabsorptionssystem nicht allgemein verfügbar.

Eine beispielhafte Länge für die Reduzier- und Aufweitungskomponente kann ungefähr 400 mm entsprechen. Die Bruchinitiatoren in dem Ende der Quetschröhre können durch einfache Sägeschnitte mit einer Tiefe von ungefähr 6 mm ausgeführt werden, welche eine Breite aufweisen, die bis zu der Breite der Sägeklinge entspricht. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Anzahl der Initiatoren gleich vier, wobei jedoch auch eine größere oder kleinere Anzahl von Initiatoren für verschiedene Anwendungen und Designanforderungen verwendet werden kann. Die Abbildung aus 2 zeigt eine isometrische Ansicht beispielhafter Initiatoren.

Die Anzahl der Initiatorschlitze kann über einen umfassenden Wertebereich angepasst werden. Allgemein ausgedrückt führt ein Anstiegt der Anzahl der Schlitze zu einer höheren Stabilität des Systems während einem Aufprall. Eine größere Anzahl von Schlitzen kann aber auch die Energiemenge senken, die von dem System absorbiert werden kann. Abhängig von der gewünschten Leistung bzw. Performance des Reduzierungs- und Aufweitungs-Energieabsorptionssystems gemäß der vorliegenden Erfindung können somit die Anzahl, die Größe und die Ausrichtung der Schlitze verändert werden.

Die vorliegende Erfindung ist auch auf eine Vielzahl weiterer Möglichkeiten anpassbar. Aufgrund des Koeffizienten der statischen Reibung zwischen der Röhre und der Reduzierkomponente kann somit an der Reduzier- und Aufweitungseinheit eine signifikante Oberflächenreibung auftreten, die im weiteren Verlauf des Aufpralls einen Anstieg der Quetschbelastung bewirkt. Dies kann bewirken, dass die Röhre letztlich in einem axialen Faltmodus kollabiert. Die Oberflächenreibung kann jedoch dadurch vermieden werden, dass ein herkömmlicher harter, eloxierter Überzug auf die Quetschröhre und die Reduzierungs- und Aufweitungskomponenten aufgetragen wird. Hiermit wird festgestellt, dass der Überzug den Reibungskoeffizienten beeinflussen und somit die Quetschbelastung verändern kann. Obgleich der eloxierte Überzug nicht bevorzugt wird, demonstriert er Designveränderungen, die gemäß dem Stand der Technik nicht möglich sind, abhängig von einer höheren Einheitlichkeit und Gleichmäßigkeit des Materials.

Aufgrund der hohen Effizienz des Energieabsorptionssystems gemäß der vorliegenden Erfindung kann das Reduzier- und Aufweitungssystem vorzugsweise in anderen Anwendungen zusätzlich zu der herkömmlichen Ausrichtung in Bezug auf die vordere Stoßstange eingesetzt werden. Zum Beispiel kann die vorliegende Erfindung hinter den Instrumententafeln oder in anderen beschränkten Bereichen des Fahrzeugs eingesetzt werden. Aufgrund der Anpassbarkeit und des hohen Wertes der Energieabsorption kann die vorliegende Erfindung in Anwendungen mit höherer Trägheit eingesetzt werden, wie zum Beispiel in Zügen oder in Aufzügen als Notbremsvorrichtungen. Die vorliegende Erfindung kann ferner weniger empfindlich in Bezug auf Fertigungstoleranzen sein als herkömmliche Anwendungen.

Keine der Ausführungen in der vorstehenden Beschreibung dient der Einschränkung der vorliegenden Erfindung auf bestimmte Werkstoffe, eine bestimmte Geometrie oder Ausrichtung der Teile. Gemäß dem Umfang der vorliegenden Erfindung sind zahlreiche andere Teile und Ausrichtungen möglich. Die hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen ausschließlich Beispiele dar und schränken den Umfang der vorliegenden Erfindung nicht ein.


Anspruch[de]
Energieabsorptionssystem (200, 300, 400), das folgendes aufweist:

eine Quetschröhre (210, 310, 410);

eine Reduzierkomponente (320) mit einer Öffnung (315) an einem ersten Ende, die die genannte Quetschröhre aufnehmen und die Quetschröhre bei einem Aufprall einwärts in eine quer zu der Längsachse der Quetschröhre zusammendrücken kann; und gekennzeichnet durch eine

Aufweitungskomponente, die an einem zweiten Ende der genannten Reduzierkomponente (320) angebracht ist, wobei die genannte Aufweitungskomponente die genannte Quetschröhre bei einem Aufprall aufweiten kann.
Energieabsorptionssystem (200, 300, 400) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Reduzierkomponente (320) und die genannte Aufweitungskomponente als eine einzige Komponente (205, 305) hergestellt werden. Energieabsorptionssystem (200, 300, 400) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Quetschröhre (210, 310, 410) eine Mehrzahl von Initiatorschlitzen (215) in einem Ende aufweist. Energieabsorptionssystem (200, 300, 400) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der genannten Mehrzahl von Initiatorschlitzen (215) um vier Schlitze handelt. Energieabsorptionssystem (200, 300, 400) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Schlitz der genannten Mehrzahl von Initiatorschlitzen (215) ungefähr 6 mm tief und 1 mm breit ist. Energieabsorptionssystem (200, 300, 400) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Reduzierkomponente (320), die genannte Aufweitungskomponente und die genannte Quetschröhre (210, 310, 410) darauf einen eloxierten Überzug aufweisen. Energieabsorptionssystem (200, 300, 400) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Quetschröhre (210, 310, 410) eine Röhre mit einem Querschnittsprofil aufweist, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die einen Kreis, ein Quadrat, ein Oval, ein Rechteck, ein Hexagon und eine Kombination daraus umfasst. Energieabsorptionssystem (200, 300, 400) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Reduzierkomponente (320) und die genannte Aufweitungskomponente gemeinsam eine Länge von ungefähr 70 mm aufweisen. Energieabsorptionssystem (200, 300, 400) nach Anspruch 1, wobei das System ferner folgendes aufweist:

eine Fahrzeugstoßstange; und

einen Fahrzeugchassisrahmen, dadurch gekennzeichnet, dass die Quetschröhre (210, 310, 410), die Reduzierkomponente und die Aufweitungskomponente zwischen der genannten Stoßstange und dem genannten Chassisrahmen angebracht sind.
Energieabsorptionssystem (200, 300, 400) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Aufweitungskomponente eine Mehrzahl von Schlitzen (220) aufweist, so dass es ermöglicht wird, dass ein aufgeweiteter Abschnitt (330, 430) der genannten Quetschröhre (210, 310, 410) das Energieabsorptionssystem verlassen kann. Energieabsorptionssystem (200, 300, 400) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der genannten Mehrzahl von Schlitzen (220) um vier Schlitze handelt. Energieabsorptionssystem (200, 300, 400) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Reduzierkomponente (320), die genannte Aufweitungskomponente und die genannte Quetschröhre (210, 310, 410) aus einer Aluminiumlegierung bestehen. Energieabsorptionssystem (200, 300, 400) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der genannten Aufweitungskomponente und der genannten Reduzierkomponente (320) um zwei separate Teile handelt. Energieabsorptionssystem (200, 300, 400) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Reduzierkomponente (320) und die genannte Aufweitungskomponente aus zwei unterschiedlichen Werkstoffen bestehen. Energieabsorptionssystem (200, 300, 400) nach Anspruch 1, wobei das System ferner folgendes aufweist:

ein Quetschröhren-Aufnahmeprofil an dem ersten Ende der Aufweitungskomponente (320), das sich zur Aufnahme der Quetschröhre (210, 310, 410) eignet;

ein Quetschröhren-Austrittsprofil mit einer Mehrzahl von Schlitzen (220), die es ermöglichen, dass aufgeweitete Enden der Quetschröhre die Aufweitungskomponente verlassen; und

eine konische Innenwand zwischen dem genannten Quetschröhren-Aufnahmeprofil und dem genannten Quetschröhren-Austrittsprofil, welche die Quetschröhre in die radiale Richtung zusammendrücken kann.
Energieabsorptionssystem (200, 300, 400) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass:

die Quetschröhre (210, 310, 410) zumindest teilweise in das genannte Quetschröhren-Aufnahmeprofil eingeführt ist.
Energieabsorptionssystem (200, 300, 400) nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das innere Profil des Quetschröhren-Aufnahmeprofils und das äußere Profil der Quetschröhre ungefähr identisch sind. Energieabsorptionssystem (200, 300, 400) nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Quetschröhre (210, 310, 410) eine Mehrzahl von Initiatorschlitzen (215) aufweist. Verfahren zum Absorbieren von Energie in eine Richtung, wobei das genannte Verfahren gekennzeichnet ist durch:

das Bereitstellen einer Quetschröhre (210, 310, 410), einer Reduzierkomponente (320) und einer Aufweitungskomponente;

das Einführen eines Endes der genannten Quetschröhre (210, 310, 410) in die genannte Reduzierkomponente; und

das Ausrichten der genannten Quetschröhre (210, 310, 410), der genannten Reduzierkomponente (320) und der genannten Aufweitungskomponente, so dass die genannte Reduzierkomponente (320) den Durchmesser der Quetschröhre (210, 310, 410) reduziert, und wobei es die Aufweitungskomponente ermöglicht, dass fragmentierte Abschnitte der Quetschröhre die Aufweitungskomponente verlassen, wenn die Quetschröhre parallel zu der Längsachse der Quetschröhre in eine Richtung in Richtung der Reduzier- und Aufweitungskomponenten verschiebt.
Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der genannte Schritt des Einführens der Quetschröhre (210, 310, 410) in die Reduzierkomponente (320) vor einem Schritt auftritt, während dem die Quetschröhre, die Reduzierkomponente und die Aufweitungskomponente zwischen einer Fahrzeugstoßstange und einem Fahrzeugchassis installiert werden.






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