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STAND DER
TECHNIK
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Diese
verschiedenen Einschränkungen
hinsichtlich der aktuellen Implementierung axial belasteter Quetschröhren-Absorptionssysteme
werden vorzugsweise durch eines oder mehrere der Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung adressiert.
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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.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, dieses Energieaufnahmesystem
weiter zu verbessern.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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:
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1 eine
herkömmliche
Quetschröhre nach
der teilweisen Verformung;
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2 Details
eines zurzeit bevorzugten Ausführungsbeispiels
eines Energieabsorptionssystems;
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3 eine
Schnittansicht eines Reduzier- und Aufweitungs-Energieabsorptionssystems;
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4 eine
Perspektivansicht eines Reduzier- und Aufweitungs-Energieabsorptionssystems nach
einem Aufprall; und
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5 einen
Graphen der Quetschbelastung versus der der Quetschstrecke für ein repräsentatives
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung und eine herkömmliche, axial kollabierende Quetschröhre.
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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.
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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.
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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).
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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.
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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.
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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).
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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.
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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.
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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.
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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).
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Technischer
betrachtet eignet sich das erfindungsgemäße Energieabsorptionssystem
vorzugsweise zur Verbreitung der Energie eines Aufpralls auf unterschiedlichste
Art und Weise.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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).
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.