DE102010015972B4

DE102010015972B4 - Energieabsorptionsvorrichtung zur Absorption von Aufprallenergie und Fahrzeug mit mindestens einer Energieabsorptionsvorrichtung

Info

Publication number: DE102010015972B4
Application number: DE102010015972.7A
Authority: DE
Inventors: Michael Kriescher; Andreas Piller; Gerhard Kopp; Elmar Beeh
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2010-03-15
Filing date: 2010-03-15
Publication date: 2022-03-24
Anticipated expiration: 2030-03-16
Also published as: DE102010015972A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Energieabsorptionsvorrichtung, die eine hohe spezifische Energieabsorptionsfähigkeit und einen einfachen Aufbau aufweist, welche eine sich entlang einer Wandstrukturachse erstreckende Wandstruktur umfasst, wobei die Wandstruktur eine erste Wand und eine zweite Wand umfasst, die in Bezug auf eine zur Wandstrukturachse senkrechte Aufprallrichtung hintereinander angeordnet sind, und wobei zwischen den Wänden mindestens ein Zusatzelement mit einer anisotropen Faserstruktur angeordnet ist, wobei die Faserstruktur parallel oder im Wesentlichen parallel zur Aufprallrichtung orientiert ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Energieabsorptionsvorrichtung zur Absorption von Aufprallenergie, welche eine sich entlang einer Wandstrukturachse erstreckende Wandstruktur umfasst, wobei die Wandstruktur eine erste Wand und eine zweite Wand umfasst, die in Bezug auf eine zur Wandstrukturachse senkrechte Aufprallrichtung hintereinander angeordnet sind.
Die Erfindung betrifft ferner ein Fahrzeug, welches mindestens eine derartige Energieabsorptionsvorrichtung umfasst.
Bekannte Fahrzeuge weisen Energieabsorptionsvorrichtungen auf, deren Teile die bei einem Unfall in das Fahrzeug eingeleitete Energie durch plastische Verformung absorbieren. Die Energieabsorptionsfähigkeit dieser Teile wird dabei im Wesentlichen durch ihre Geometrie, durch die verwendeten Werkstoffe sowie durch die Wahl der Position und Lage der Teile an dem Fahrzeug bestimmt.
Ein Seitenaufprall auf ein Fahrzeug ist besonders kritisch, da der zur Verfügung stehende Verformungsweg relativ klein ist und ein Eindringen eines Fremdkörpers in das Innere der Fahrgastzelle vermieden werden soll. Dies gilt insbesondere bei einem so genannten „Pfahlcrash“, bei welchem eine hohe Seitenaufprallenergie in einen kurzen Seitenabschnitt eines Fahrzeuges eingeleitet wird. Aber auch bei einem front- oder heckseitigen Aufprall ist es wünschenswert, durch eine entsprechende Ausführung der Energieabsorptionsvorrichtungen (z.B. der Stoßfänger) ein Eindringen des Fremdkörpers in die Fahrzeugstruktur soweit wie möglich zu begrenzen.
Bei einer Energieabsorptionsvorrichtung der eingangs genannten Art mit einer sich entlang einer Wandstrukturachse erstreckenden Wandstruktur führt ein Seitenaufprall zu einer Abstandsverringerung zwischen der ersten Wand und der zweiten Wand. Durch das Kollabieren der Wandstruktur, welches im Extremfall zu einem Kontakt der beiden Wände führt, werden sowohl die Biegesteifigkeit als auch die Energieabsorptionsfähigkeit der Vorrichtung drastisch verringert.
Um diesem Problem entgegenzuwirken, wurde in der Offenlegungsschrift DE 10 2008 015 960 A1 vorgeschlagen, zwischen der ersten Wand und der zweiten Wand mindestens eine Zusatzstruktur anzuordnen, welche einer aufprallbedingten Verkleinerung des Abstands zwischen den Wänden entgegenwirkt, sodass eine Aufprallenergie durch Dehnung zumindest eines Teils der Wandstruktur absorbierbar ist. Diese Zusatzstrukturen, die wie die Wandstruktur selbst z.B. aus einem metallischen Material gebildet sind, umfassen in der Regel Einzelelemente und/oder Hohlstrukturen, die entlang der Wandstrukturachse angeordnet sind, d.h. es wird durch spezielle geometrische Strukturen versucht, eine möglichst hohe Energieabsorptionsfähigkeit bezogen auf das Gewicht der Energieabsorptionsvorrichtung zu erreichen.
Die US 6,435,579 offenbart einen Stoßfänger für ein Fahrzeug, umfassend zwei sich zueinander parallel erstreckende Wandelemente mit einem C-förmigen Querschnitt, sowie mindestens ein Verbindungselement, welches die beiden Wandelemente in einem vorgegebenen Abstand hält.
Die DE 198 48 516 A1 offenbart ein Hohlkammer-Leichtbauteil, bestehend mindestens aus einem schalenförmigen Gehäuseteil aus hochfestem Werkstoff, einer gerippten Stützstruktur aus Kunststoff, insbesondere aus thermoplastischem Kunststoff, und wenigstens einer Deckplatte oder Deckschale aus einem, insbesondere von Kunststoff verschiedenen, hochfesten Werkstoff. Die Stützstruktur liegt auf der Innenseite des Gehäuseteiles an und ist insbesondere mit dem Gehäuseteil verbunden. Die Deckplatte oder Deckschale deckt den aus Gehäuseteil und Stützstruktur gebildeten Raum weitgehend ab und ist in ihrem Randbereich wenigstens mit einem Teil der Umrandung des Gehäuseteiles verbunden.
Die DE 101 53 025 A1 offenbart einen Aufprallträger einer Fahrzeugkarosserie, welcher ein längliches kastenförmiges Hohlprofil aufweist. An der dem Fahrzeug zugewandten Rückseite des Hohlprofils ist ein längliches, flächiges faserverstärktes Kunststoffteil angebracht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Energieabsorptionsvorrichtung zur Verfügung zu stellen, die eine hohe spezifische Energieabsorptionsfähigkeit und einen einfachen Aufbau aufweist.
Diese Aufgabe wird bei der Energieabsorptionsvorrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zwischen den Wänden mindestens ein Zusatzelement mit einer richtungsabhängigen (anisotropen) Faserstruktur angeordnet ist, wobei die Faserstruktur parallel zur Aufprallrichtung und senkrecht zur Wandstrukturachse orientiert ist, und dass sich das mindestens eine Zusatzelement von der ersten Wand bis zur zweiten Wand sowie in Richtung der Wandstrukturachse erstreckt.
Durch die Orientierung der Faserstruktur parallel zur Aufprallrichtung, also senkrecht zur Wandstrukturachse, weist das Zusatzelement eine besonders hohe Festigkeit, insbesondere Druckfestigkeit, entlang dieser Raumrichtung auf. Dadurch kann eine auf die erste Wand einwirkende Aufprallkraft, die zumindest eine Kraftkomponente in Richtung der oben definierten Aufprallrichtung aufweist, durch die anisotrope Faserstruktur auf die zweite Wand übertragen werden, sodass eine Energieabsorption unter Dehnung der Wandstruktur, insbesondere der zweiten Wand, erfolgt. Gleichzeitig wird durch das Zusatzelement einer Verringerung des Abstands zwischen den beiden Wänden entgegengewirkt.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Energieabsorptionsvorrichtung besteht darin, dass ein Bruch des mindestens einen Zusatzelements in Folge einer plastischen Verformung der Wandstruktur (z.B. bei einer Biegebeanspruchung in Folge eines Pfahlcrashs) im Wesentlichen entlang der Orientierung der Faserstruktur erfolgt. Die dabei gebildeten Bruchstücke des mindestens einen Zusatzelements stehen dann zumindest teilweise weiterhin für eine Kraftübertragung von der ersten auf die zweite Wand und für eine Stabilisierung der Wandstruktur zur Verfügung.
Bei Verwendung der Energieabsorptionseinrichtung in oder an einem Fahrzeug ist die erste Wand vorzugsweise fahrzeugaußenseitig angeordnet. Dadurch ist die Energieabsorptionsvorrichtung unmittelbar nach Aufprall eines Fremdkörpers auf das Fahrzeug wirksam.
Vorzugsweise sind die erste Wand und die zweite Wand zueinander parallel. Dies ermöglicht einen raumsparenden Aufbau der Energieabsorptionsvorrichtung und eine einfache Integration in ein Fahrzeug.
Das mindestens eine Zusatzelement erstreckt sich von der ersten Wand bis zur zweiten Wand. Auf diese Weise stützen sich die beiden Wände über das mindestens eine Zusatzelement gegenseitig ab und es erfolgt gleich zu Beginn eines Aufpralls eine entsprechende Kraftübertragung entlang der Faserstruktur des mindestens einen Zusatzelements. Einer Abstandverringerung zwischen den Wänden wird dabei auf besonders effektive Weise entgegengewirkt.
Das mindestens eine Zusatzelement erstreckt sich in Richtung der Wandstrukturachse. Insbesondere kann sich das mindestens eine Zusatzelement durchgehend entlang eines größeren Abschnitts der Wandstruktur erstrecken, besonders bevorzugt im Wesentlichen entlang der gesamten Wandstruktur. Da das mindestens eine Zusatzelement gemäß der Erfindung einen einfachen und kompakten Aufbau aufweisen kann, ist eine solche Ausgestaltung nur mit einem geringen konstruktiven Aufwand verbunden. Hierdurch kann unabhängig von der Aufprallposition eines Fremdkörpers eine hohe Energieabsorptionswirkung bereitgestellt werden, im Gegensatz beispielsweise zu einer Zusatzstruktur, die einzelne, entlang der Wandstrukturachse verteilte und voneinander beabstandete Elemente umfasst.
Die Energieabsorptionsvorrichtung kann auch mehrere Zusatzelemente umfassen, die in Richtung der Wandstrukturachse nebeneinander angeordnet sind. Dabei ist es bevorzugt, wenn die einzelnen Zusatzelemente unmittelbar aneinander angrenzen.
Bevorzugt ist es, wenn das mindestens eine Zusatzelement quaderförmig ausgebildet ist. Ein quaderförmiges Zusatzelement kann besonders einfach hergestellt und in die erfindungsgemäße Energieabsorptionsvorrichtung integriert werden. Die größte Ausdehnung des Quaders erstreckt sich hierbei bevorzugt in Richtung der Wandstrukturachse, wobei die anisotrope Faserstruktur des Zusatzelements in einer hierzu senkrechten Raumrichtung des Quaders, welche der Aufprallrichtung entspricht, orientiert ist.
Günstig ist es, wenn das mindestens eine Zusatzelement mit der ersten Wand und/oder mit der zweiten Wand verbunden ist. Vorzugsweise ist das mindestens eine Zusatzelement mit beiden Wänden verbunden. Durch eine solche Verbindung wird nicht nur die Position des mindestens einen Zusatzelements innerhalb der Wandstruktur festgelegt, sondern es wird auch bei einem Aufprall einer Verschiebung des mindestens einen Zusatzelements entlang der Wandstrukturachse entgegengewirkt.
Bevorzugt ist das mindestens eine Zusatzelement mit der ersten Wand und/oder mit der zweiten Wand verklebt. Eine solche Klebeverbindung kann, durch Auswahl eines geeigneten Klebemittels, zwischen verschiedenen Materialien, aus denen das mindestens eine Zusatzelement bzw. die Wandstruktur gebildet sein können, verwirklicht werden.
Das mindestens eine Zusatzelement kann aus unterschiedlichen Materialien gebildet sein, die eine anisotrope Faserstruktur aufweisen. Hierbei können sowohl synthetische als auch natürliche Materialien eingesetzt werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das mindestens eine Zusatzelement zumindest teilweise aus einem faserverstärkten Kunststoff gebildet. Insbesondere kann das mindestens eine Zusatzelement auch vollständig aus einem faserverstärkten Kunststoff gebildet sein. Zur Erzeugung der anisotropen Faserstruktur werden dabei die Verstärkungsfasern (z.B. Glasfasern, Kohlenstofffasern oder Aramidfasern) als Einzelfasern, Rovings oder Gelege monoaxial in eine Polymermatrix eingebettet.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energieabsorptionsvorrichtung ist das mindestens eine Zusatzelement zumindest teilweise aus einem Holz enthaltenden Werkstoff gebildet. Holz ist ein natürlicher Werkstoff mit einer anisotropen Faserstruktur, d.h. einer Orientierung der Zellulose- und Lignozellulosefasern im Wesentlichen entlang einer Raumrichtung, und zeichnet sich durch ein besonders günstiges Verhältnis einer relativ geringen Dichte zu einer relativ hohen mechanischen Festigkeit aus. Insbesondere aufgrund der hohen Druckfestigkeit in Faserrichtung eignet sich Holz in besonderem Maße für die Herstellung von Zusatzelementen im Rahmen der vorliegenden Erfindung.
Die Verwendung von Holz enthaltenden Werkstoffen ist auch unter ökologischen Gesichtspunkten vorteilhaft, da es sich hierbei um einen nachwachsenden Rohstoff handelt.
Besonders günstig ist es, wenn das mindestens eine Zusatzelement zumindest teilweise aus massivem Holz gebildet ist. Das mindestens eine Zusatzelement kann insbesondere vollständig aus massivem Holz gebildet sein, z.B. in Form einer sich in Richtung der Wandstrukturachse erstreckenden Vierkantleiste. Ein solches Zusatzelement kann auf besonders einfache Weise hergestellt werden. Weitere Holz enthaltende Werkstoffe, die alternativ zu massivem Holz eingesetzt werden können, umfassen beispielsweise Sperrholz.
Das mindestens eine Zusatzelement weist bevorzugt eine Dichte von 0,4 bis 0,8 g/cm³ auf, weiter bevorzugt von 0,5 bis 0,7 g/cm³. Durch die Verwendung eines oder mehrere Zusatzelemente mit einer solchen relativ geringen Dichte kann eine Energieabsorptionsvorrichtung mit einer besonders hohen spezifischen Energieabsorptionsfähigkeit zur Verfügung gestellt werden. Dichten innerhalb dieses bevorzugten Bereichs können unter anderem mit Holz bzw. Holz enthaltenden Werkstoffen realisiert werden, wobei sowohl Hartholz (Dichte größer 0,55 g/cm³) als auch Weichholz (Dichte kleiner 0,55 g/cm³) grundsätzlich geeignet ist. Demgegenüber weisen viele faserverstärkte Kunststoffmaterialien deutlich höhere Dichten auf (z.B. GFK ca. 1,5 bis 1,8 g/cm³ und CFK ca. 1,6 g/cm³).
Geeignete Holzarten, die im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorteilhaft eingesetzt werden können, umfassen z.B. Kiefernholz (0,52 g/cm³), Birkenholz (0,65 g/cm³), Eichenholz (0,67 g/cm³) oder Buchenholz (0,69 g/cm³).
Mehrere Zusatzelemente können, wie bereits oben angesprochen, in Richtung der Wandstrukturachse nebeneinander angeordnet sein. Alternativ oder zusätzlich können gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zwischen den Wänden auch mehrere Zusatzelemente übereinander angeordnet sein, bezogen auf eine zur Wandstrukturachse und zur Aufprallrichtung senkrechte Hochrichtung. Bei Verwendung der Energieabsorptionsvorrichtung in oder an einem Fahrzeug entspricht die Hochrichtung insbesondere der Schwerkraftrichtung.
Günstigerweise sind die übereinander angeordneten Zusatzelemente voneinander beabstandet. Auf diese Weise kann die vorteilhafte Wirkung der Zusatzelemente entlang eines Großteils oder sogar entlang der gesamten Höhe der Wandstruktur erzielt werden, wobei das Gesamtgewicht der Energieabsorptionsvorrichtung geringer ist als bei einem einzelnen Zusatzelement, dass sich über die entsprechende Höhe der Wandstruktur erstreckt.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung können die Dichte, die Anzahl und/oder die Größe der Zusatzelemente über einen relativ weiten Bereich variiert und insbesondere aufeinander abgestimmt werden. Es kann z.B. mit einem einzelnen Zusatzelement mit einer sehr geringen Dichte eine vergleichbare spezifische Energieabsorptionsfähigkeit erreicht werden wie mit zwei übereinander angeordneten Zusatzelementen mit einer höheren Dichte, die zusammen eine kleinere Querschnittsfläche senkrecht zur Wandstrukturachse aufweisen.
Wenn die Energieabsorptionsvorrichtung mehrere übereinander angeordnete Zusatzelemente umfasst, ist es ferner bevorzugt, wenn zwischen den Zusatzelementen ein Material mit einer Schaumstruktur angeordnet ist. Dadurch kann die Anordnung der Zusatzelemente relativ zueinander fixiert werden, und bei einem Aufprall wird einer Verformung der Zusatzelemente in Hochrichtung, z.B. einem Wegknicken, entgegengewirkt. Günstigerweise weist das Material mit der Schaumstruktur eine Dichte von weniger als 0,2 g/cm³ auf, sodass die spezifische Energieabsorptionsfähigkeit nicht wesentlich verringert wird. Das Material mit der Schaumstruktur umfasst bevorzugt einen Polymerschaum, insbesondere einen Polyurethanschaum, dessen Dichte über einen weiten Bereich eingestellt werden kann.
Die Wandstruktur ist vorzugsweise umfangsseitig geschlossen. Auf diese Weise kann die Wandstruktur eine Hülle bilden, welche das mindestens eine Zusatzelement umhüllt.
Vorzugsweise begrenzt die Wandstruktur einen Hohlraum. Ein solcher Hohlraum ist im Querschnitt vorzugsweise mehreckig, insbesondere quadratisch oder rechteckförmig. Der Hohlraum kann auch einen kreisförmigen oder elliptischen Querschnitt oder einen unregelmäßig geformten Querschnitt aufweisen. Besonders günstig ist es, wenn der Hohlraum vollständig geschlossen ist, d.h. insbesondere auch an den axialen Enden der Wandstruktur. Dadurch kann z.B. ein Eindringen von Feuchtigkeit in den Hohlraum verhindert werden, was insbesondere von Vorteil ist, wenn das mindestens eine Zusatzelement aus einem Holz enthaltenden Werkstoff gebildet ist.
Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Wandstruktur einstückig hergestellt. Bei einer solchen Wandstruktur sind die erste Wand und die zweite Wand durch Abschnitte der Wandstruktur gebildet. Hierbei gehen die erste Wand und die zweite Wand unmittelbar ineinander über oder sind mittels weiterer Abschnitte der Wandstruktur miteinander verbunden.
Die Wandstruktur kann auch aus mehreren Teilstrukturen hergestellt sein, die miteinander verbunden sind. Hierbei kann das mindestens eine Zusatzelement auf besonders einfache Weise zwischen der ersten Wand und der zweiten Wand angeordnet werden. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Teilstrukturen stoffschlüssig miteinander verbunden sind, insbesondere durch Verschweißen.
Günstig ist es, wenn die Wandstruktur zumindest teilweise aus einem metallischen Material gebildet ist. Besonders bevorzugt ist es, wenn Stahllegierungen eingesetzt werden, welche eine hohe Zugfestigkeit und Dehnbarkeit aufweisen, beispielsweise indem der Stahl Mangananteile enthält. Diese Materialien weisen eine besonders hohe Zugfestigkeit auf, sodass unter Dehnung dieser Materialien eine besonders hohe Energie absorbiert werden kann.
Auch die Verwendung von Aluminium oder Aluminiumlegierungen ist möglich, um eine besonders leichte Wandstruktur herzustellen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist zwischen den Wänden mindestens ein weiteres Zusatzelement mit einer anisotropen Faserstruktur angeordnet, wobei die Faserstruktur senkrecht oder im Wesentlichen senkrecht sowohl zur Wandstrukturachse als auch zur Aufprallrichtung orientiert ist. Das mindestens eine weitere Zusatzelement erhöht die Energieabsorptionsfähigkeit der Energieabsorptionsvorrichtung in Bezug auf einen Aufprall, der senkrecht zu der oben definierten Aufprallrichtung erfolgt oder zumindest eine entsprechende Kraftkomponente aufweist. Eine solche Energieabsorptionsvorrichtung ist z.B. bei einem Fahrzeug besonders vielseitig einsetzbar.
Das mindestens eine weitere Zusatzelement erstreckt sich bevorzugt von einer oberen Wand bis zu einer unteren Wand der Wandstruktur, sodass bei einem Aufprall auf die obere Wand eine Kraftübertragung durch die anisotrope Faserstruktur auf die untere Wand erfolgt oder umgekehrt. Die obere Wand und die untere Wand sind bevorzugt zueinander parallel und bilden weiter bevorzugt mit der ersten Wand und der zweiten Wand eine Wandstruktur mit einem im Wesentlichen quadratischen oder rechteckförmigen Querschnitt.
Besonders günstig ist es, wenn eine erste Mehrzahl von Zusatzelementen und eine zweite Mehrzahl von Zusatzelementen zueinander senkrecht angeordnet sind. Die Zusatzelemente können dabei insbesondere eine im Querschnitt gitterförmige Struktur bilden, die sich entlang der Wandstrukturachse erstreckt. Auf diese Weise stabilisieren sich die ersten und die zweiten Zusatzelemente gegenseitig, z.B. gegen ein Wegknicken, und können dadurch gegebenenfalls dünner ausgebildet werden. Somit kann eine besonders günstige spezifische Energieabsorptionsfähigkeit erreicht werden, und zwar in Bezug auf Krafteinwirkungen aus verschiedenen Raumrichtungen.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ferner ein Fahrzeug, welches mindestens eine erfindungsgemäße Energieabsorptionsvorrichtung umfasst. Das Fahrzeug kann ein Landfahrzeug, insbesondere ein Kraftfahrzeug, ein Luftfahrzeug, oder ein Wasserfahrzeug sein.
Vorzugsweise bildet die Wandstruktur einen Seitenschweller des Fahrzeugs. Dies ermöglicht eine besonders einfache Integration der Energieabsorptionsvorrichtung in das Fahrzeug.
Eine besonders gute Energieabsorptionswirkung ergibt sich, wenn die Energieabsorptionsvorrichtung in Fahrzeughochrichtung gesehen auf Höhe einer Bodengruppe des Fahrzeugs angeordnet ist. Hierdurch kann in einem bei einem Unfall besonders hoch belasteten Bereich des Fahrzeugs Energie absorbiert werden. Daher kann die Bodengruppe entlastet und dementsprechend leichter gebaut werden. Beispielsweise kann die Bodengruppe aus einem Kunststoffmaterial hergestellt werden.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Wandstruktur Teil einer Stoßfängereinrichtung des Fahrzeugs ist. Eine solche Energieabsorptionsvorrichtung kann heckseitig oder bugseitig vorgesehen sein und erstreckt sich im Wesentlichen in einer Fahrzeugquerrichtung.
Ferner ist es bevorzugt, wenn die Wandstruktur einen Teil eines Türrahmens des Fahrzeugs bildet. Dies ermöglicht es, einen Fahrzeugbereich zu stabilisieren, welcher bei einem Seitenaufprall besonders hohen Belastungen ausgesetzt ist.
Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Wandstruktur Teil einer Dachstruktur des Fahrzeugs. Beispielsweise bildet die Wandstruktur einen Dachholm.
Die erfindungsgemäße Energieabsorptionsvorrichtung kann jedoch auch für Strukturen im Inneren eines Fahrzeugs eingesetzt werden, die besonders sicherheitsrelevant sind. Insbesondere kann die Energieabsorptionsvorrichtung z.B. im Bereich der Rückenlehne eines Fahrzeugsitzes eingesetzt werden.
Diese und weitere Vorteile der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen im Einzelnen:

1A: eine perspektivische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels einer Energieabsorptionsvorrichtung;
1B: eine Querschnittsansicht der Energieabsorptionsvorrichtung gemäß der 1A;
1C: eine schematische Darstellung der Verformung der Energieabsorptionsvorrichtung gemäß der 1A bei einem Pfahlcrash;
2: eine Querschnittsansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Energieabsorptionsvorrichtung;
3: eine Querschnittsansicht eines dritten Ausführungsbeispiels einer Energieabsorptionsvorrichtung;
4: ein Diagramm, in dem die Kraft/Weg-Kurven von Energieabsorptionsvorrichtungen gemäß den 1 bis 3 bei einem Dreipunkt-Biegetest dargestellt sind;
5: eine Querschnittsansicht eines vierten Ausführungsbeispiels einer Energieabsorptionsvorrichtung; und
6: eine Querschnittsansicht eines fünften Ausführungsbeispiels einer Energieabsorptionsvorrichtung.

Gleiche oder funktional äquivalente Elemente sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.
In der 1A ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Energieabsorptionsvorrichtung 10 perspektivisch dargestellt. Die Energieabsorptionsvorrichtung 10 umfasst eine Wandstruktur 12, die sich entlang einer Wandstrukturachse 14 erstreckt. Die Wandstruktur 12 weist einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt mit abgeschrägten Kanten auf und umfasst eine erste Wand 16 und eine zweite Wand 18, die zueinander parallel und in Bezug auf eine Aufprallrichtung 20, die senkrecht zur Wandstrukturachse 14 orientiert ist, hintereinander angeordnet sind. Eine Hochrichtung 22 verläuft senkrecht zu der durch die Wandstrukturachse 14 und die Aufprallrichtung 20 definierten Ebene.
Bei Verwendung der Energieabsorptionsvorrichtung 10 in oder an einem Fahrzeug ist die erste Wand 16 bevorzugt fahrzeugaußenseitig und die zweite Wand 18 bevorzugt fahrzeuginnenseitig orientiert. Die Energieabsorptionsvorrichtung 10 kann z.B. einen Seitenschweller des Fahrzeugs bilden, sodass im Fall eines Seitenaufpralls eine Aufprallkraft auf die Wandstruktur 12 einwirkt, die zumindest eine in Aufprallrichtung 20 orientierte Kraftkomponente aufweist.
Die Wandstruktur umfasst ferner eine obere Wand 24 und eine untere Wand 26, die jeweils die erste Wand 16 mit der zweiten Wand 18 verbinden, sodass die Wandstruktur 12 umfangsseitig geschlossen ist, d.h. einen umfangsseitig geschlossenen Hohlraum 28 umgrenzt. Der Hohlraum 28 kann auch vollständig geschlossen sein, d.h. insbesondere auch an den axialen Enden der Wandstruktur 12.
Die Wandstruktur 12 ist bevorzugt aus einem metallischen Material gebildet, z.B. aus einer Stahllegierung mit einer hohen Zugfestigkeit und Dehnbarkeit. In diesem Fall kann die Wandstruktur 12 durch Verschweißen von zwei Halbschalen hergestellt sein, wobei die erste Halbschale die erste Wand 16 und jeweils einen Teil der oberen Wand 24 und der unteren Wand 26 umfasst und die zweite Halbschale die zweite Wand 18 und ebenfalls einen Teil der oberen Wand 24 und der unteren Wand 26.
Die Wandstärke der Wände 16, 18, 24 und 26 der Wandstruktur 12 kann beispielsweise zwischen ca. 1 mm und ca. 5 mm betragen.
Der Abstand zwischen der ersten Wand 16 und der zweiten Wand 18 kann beispielsweise ca. 2 cm bis ca. 15 betragen.
Die Energieabsorptionsvorrichtung 10 umfasst ferner ein Zusatzelement 30, welches in dem Hohlraum 28 angeordnet ist. Das Zusatzelement 30 erstreckt sich in Richtung der Wandstrukturachse 14 im Wesentlichen über die gesamte Länge der Wandstruktur 12 und entlang der Aufprallrichtung 20 von der ersten Wand 16 bis zur zweiten Wand 18. In der Hochrichtung 22 erstreckt sich das Zusatzelement 30 jedoch nur über ca. 40% des Abstandes zwischen der oberen Wand 24 und der unteren Wand 26.
Das Zusatzelement 30 ist mit der ersten Wand 16 und mit der zweiten Wand 18 verklebt. Dadurch wird die Position des Zusatzelements 30 innerhalb des Hohlraums 28 festgelegt und einer Verschiebung des Zusatzelements 30 in Axialrichtung entgegenwirkt.
Das Zusatzelement 30 weist eine anisotrope Faserstruktur auf, die im Wesentlichen entlang der Aufprallrichtung 20 orientiert ist. Das Zusatzelement 30 kann dabei sowohl aus einem natürlichen Material (insbesondere aus massivem Holz) oder aus einem synthetischen Material (insbesondere einem faserverstärkten Kunststoff) gebildet sein. Das verwendete Material weist eine möglichst geringe Dichte auf, z.B. zwischen ca. 0,4 und ca. 0,8 g/cm³.
Die 1B zeigt eine Querschnittsansicht der Energieabsorptionsvorrichtung 10 senkrecht zur Wandstrukturachse 14.
In der 1C ist schematisch die Verformung der Energieabsorptionsvorrichtung 10 bei einem Pfahlcrash dargestellt, und zwar in einer Querschnittsansicht senkrecht zur Hochrichtung 22. Bei einem Pfahlcrash trifft ein Fremdkörper 32 in einem relativ kurzen Abschnitt der Energieabsorptionsvorrichtung 10 auf die erste Wand 16 der Wandstruktur 12 auf. Durch die anisotrope Faserstruktur des Zusatzelements 30 weist dieses eine hohe Druckfestigkeit entlang der Aufprallrichtung 20 auf, sodass ein relativ hoher Anteil der Aufprallkraft von der ersten Wand 16 auf die zweite Wand 18 übertragen werden kann. Dadurch wird zumindest ein Teil der Aufprallenergie durch eine Dehnung der zweiten Wand 18 absorbiert, und es wird einer Verringerung des Abstandes zwischen der ersten Wand 16 und der zweiten Wand 18 entgegengewirkt.
Durch die Verformung der Energieabsorptionsvorrichtung 10 in Folge des Aufpralls des Fremdkörpers 32 kann es zu einem Brechen des Zusatzelements 30 im Aufprallbereich kommen, wobei die Bruchlinien im Wesentlichen entlang der Faserstruktur des Zusatzelements 30, d.h. im Wesentlichen entlang der Aufprallrichtung 20, verlaufen. Die dabei gebildeten Bruchstücke 34 des Zusatzelements 30 erstrecken sich nach wie vor von der ersten Wand 16 bis zur weiten Wand 18 und können daher auch im weiteren Verlauf des Aufpralls zumindest teilweise die Funktion der Kraftübertragung von der ersten Wand 16 auf die zweite Wand 18 erfüllen.
In der 2 ist eine Querschnittsansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Energieabsorptionsvorrichtung 40 dargestellt. Die Energieabsorptionsvorrichtung 40 ist wie die Energieabsorptionsvorrichtung 10 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel aufgebaut, mit dem Unterschied, dass das Zusatzelement 30 eine geringere Höhe aufweist und sich nur über ca. 20% des Abstandes zwischen der oberen Wand 24 und der unteren Wand 26 der Wandstruktur 12 erstreckt.
Bei einem dritten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Energieabsorptionsvorrichtung 50, deren Querschnittsansicht in der 3 dargestellt ist, sind zwei Zusatzelemente 30a und 30b vorgesehen. Die Zusatzelemente 30a und 30b sind in Bezug auf die Hochrichtung 22 übereinander und voneinander beabstandet angeordnet, wobei jedes der Zusatzelemente 30a und 30b sich über ca. 20% des Abstandes zwischen der oberen Wand 24 und der unteren Wand 26 erstreckt.
Zur Simulation des Verhaltens bei einem Seitenaufprall (insbesondere bei einem Pfahlcrash) wurde ein Dreipunkt-Biegeversuch an erfindungsgemäßen Energieabsorptionsvorrichtungen durchgeführt, die entsprechend den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen gemäß den 1 bis 3 aufgebaut sind. Die Wandstruktur weist dabei jeweils eine Breite (in Aufprallrichtung) von ca. 90 mm und eine Höhe (in Hochrichtung) von ca. 128 mm auf und wurde durch Verschweißen von zwei Halbschalen aus Stahl mit einer Wandstärke von ca. 2 mm hergestellt. Die Zusatzelemente sind Quader aus massivem Kiefernholz mit einer Orientierung der natürlichen Faserstruktur im Wesentlichen entlang der Aufprallrichtung, die vor dem Verschweißen der Halbschalen mit der ersten Wand und der zweiten Wand verklebt wurden.
Für das erste Ausführungsbeispiel (1) ist die Höhe des Zusatzelementes ca. 50 mm, für das zweite Ausführungsbeispiel (2) ca. 25 mm und für das dritte Ausführungsbeispiel (3) zweimal jeweils ca. 25 mm. Als Vergleichsbeispiel dient eine entsprechende Wandstruktur ohne Zusatzelement.
Das Diagramm in der 4 zeigt die im Dreipunkt-Biegeversuch gemessenen Kraft/Weg-Kurven für das Vergleichsbeispiel (Kurve 52) sowie für das erste, zweite und dritte Ausführungsbeispiel (Kurven 54, 56 und 58). Das Ergebnis zeigt, dass der Intrusionswiderstand über den gesamten Verformungsbereich bei den Energieabsorptionsvorrichtungen gemäß den drei Ausführungsbeispielen deutlich höher ist als bei dem Vergleichsbeispiel ohne Zusatzelement. Die gewichtsspezifische Energieabsorptionsfähigkeit der Energieabsorptionsvorrichtung wurde relativ zum Vergleichsbeispiel um das ca. 2,2fache bis ca. 2,8fache erhöht.
Die 5 zeigt eine Querschnittsansicht eines vierten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Energieabsorptionsvorrichtung 60. Die Energieabsorptionsvorrichtung 60 umfasst eine Wandstruktur 12, die wie bei den Ausführungsbeispielen gemäß den 1 bis 3 aufgebaut ist. In dem Hohlraum 28 ist eine Mehrzahl von Zusatzelementen 62 angeordnet. Die Zusatzelemente 62 erstrecken sich jeweils von der ersten Wand 16 bis zur zweiten Wand 18 und sind entlang der Hochrichtung 22 gleichmäßig verteilt und voneinander beabstandet angeordnet. Die Zusatzelemente 62 können z.B. durch Leisten aus massivem Holz gebildet sein.
Um die Positionen der Zusatzelemente 62 innerhalb des Hohlraums 28 festzulegen, sind die Zwischenräume zwischen den einzelnen Zusatzelementen 62 mit einem Material mit einer Schaumstruktur 64 gefüllt, beispielsweise mit einem Polyurethanschaum. Das Material mit der Schaumstruktur 64 weist bevorzugt eine Dichte von weniger als ca. 0,2 g/cm³ auf. Die Zusatzelemente 62 können zusätzlich auch mit der ersten Wand 16 und/oder der zweiten Wand 18 verbunden sein, z.B. durch Verkleben.
In der 6 ist eine Querschnittsansicht eines fünften Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Energieabsorptionsvorrichtung 70 dargestellt. Die Energieabsorptionsvorrichtung 70 umfasst zusätzlich zu einer ersten Mehrzahl von Zusatzelementen 62, die sich von der ersten Wand 16 bis zur zweiten Wand 18 erstrecken, eine zweite Mehrzahl von Zusatzelementen 72, die sich von der oberen Wand 24 bis zur unteren Wand 26 erstrecken. Die anisotrope Faserstruktur der zweiten Zusatzelemente 72 ist hierbei parallel oder im Wesentlichen parallel zur Hochrichtung 22 orientiert.
Die ersten Zusatzelemente 62 und die zweiten Zusatzelemente 72 sind jeweils gleichmäßig verteilt und voneinander beabstandet angeordnet und bilden im Querschnitt eine Gitterstruktur. Die zweiten Zusatzelemente 72 können hierbei aus einzelnen Abschnitten gebildet sein, die durch die ersten Zusatzelemente 62 jeweils unterbrochen sind (oder umgekehrt).
Durch die zweite Mehrzahl von Zusatzelementen 72 wird die Energieabsorptionsvorrichtung 70 auch in Bezug auf einen Aufprall entlang der Hochrichtung 22 verstärkt, d.h. es wird einer Verringerung des Abstandes zwischen der oberen Wand 24 und der unteren Wand 26 entgegengewirkt. Dabei stabilisieren sich die ersten Zusatzelemente 62 und die zweiten Zusatzelemente 72 gegenseitig, z.B. gegen ein Wegknicken.
Bezugszeichenliste

10: Energieabsorptionsvorrichtung
12: Wandstruktur
14: Wandstrukturachse
16: erste Wand
18: zweite Wand
20: Aufprallrichtung
22: Hochrichtung
24: obere Wand
26: untere Wand
28: Hohlraum
30: Zusatzelement
32: Fremdkörper
34: Bruchstücke
40: Energieabsorptionsvorrichtung
50: Energieabsorptionsvorrichtung
52: Kraft/Weg-Kurve des Vergleichsbeispiels
54: Kraft/Weg-Kurve des ersten Ausführungsbeispiels
56: Kraft/Weg-Kurve des zweiten Ausführungsbeispiels
58: Kraft/Weg-Kurve des dritten Ausführungsbeispiels
60: Energieabsorptionsvorrichtung
62: Zusatzelemente
64: Zwischenräume
70: Energieabsorptionsvorrichtung
72: zweite Zusatzelemente

Claims

Energieabsorptionsvorrichtung (10, 40, 50, 60, 70) zur Absorption von Aufprallenergie, welche eine sich entlang einer Wandstrukturachse (14) erstreckende Wandstruktur (12) umfasst, wobei die Wandstruktur (12) eine erste Wand (16) und eine zweite Wand (18) umfasst, die in Bezug auf eine zur Wandstrukturachse (14) senkrechte Aufprallrichtung (20) hintereinander angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Wänden (16, 18) mindestens ein Zusatzelement (30, 62) mit einer richtungsabhängigen Faserstruktur angeordnet ist, wobei die Faserstruktur parallel zur Aufprallrichtung (20) und senkrecht zur Wandstrukturachse (14) orientiert ist, und dass sich das mindestens eine Zusatzelement (30, 62) von der ersten Wand (16) bis zur zweiten Wand (18) sowie in Richtung der Wandstrukturachse (14) erstreckt.
Energieabsorptionsvorrichtung (10, 40, 50, 60, 70) nach Anspruch 1, wobei das mindestens eine Zusatzelement (30, 62) quaderförmig ausgebildet ist.
Energieabsorptionsvorrichtung (10, 40, 50, 60, 70) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das mindestens eine Zusatzelement (30, 62) mit der ersten Wand (16) und/oder mit der zweiten Wand (18) verbunden ist.
Energieabsorptionsvorrichtung (10, 40, 50, 60, 70) nach Anspruch 3, wobei das mindestens eine Zusatzelement (30, 62) mit der ersten Wand (16) und/oder mit der zweiten Wand (18) verklebt ist.
Energieabsorptionsvorrichtung (10, 40, 50, 60, 70) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das mindestens eine Zusatzelement (30, 62) zumindest teilweise aus einem faserverstärkten Kunststoff gebildet ist.
Energieabsorptionsvorrichtung (10, 40, 50, 60, 70) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das mindestens eine Zusatzelement (30, 62) zumindest teilweise aus einem Holz enthaltenden Werkstoff gebildet ist.
Energieabsorptionsvorrichtung (10, 40, 50, 60, 70) nach Anspruch 6, wobei das mindestens eine Zusatzelement (30, 62) zumindest teilweise aus massivem Holz gebildet ist.
Energieabsorptionsvorrichtung (10, 40, 50, 60, 70) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das mindestens eine Zusatzelement (30, 62) eine Dichte von 0,4 bis 0,8 g/cm³ aufweist, bevorzugt von 0,5 bis 0,7 g/cm³.
Energieabsorptionsvorrichtung (50, 60, 70) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei zwischen den Wänden (16, 18) mehrere Zusatzelemente (30a, 30b, 62) übereinander angeordnet sind, bezogen auf eine zur Wandstrukturachse (14) und zur Aufprallrichtung (20) senkrechte Hochrichtung (22).
Energieabsorptionsvorrichtung (60) nach Anspruch 9, wobei zwischen den Zusatzelementen (62) ein Material mit einer Schaumstruktur (64) angeordnet ist.
Energieabsorptionsvorrichtung (10, 40, 50, 60, 70) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Wandstruktur (12) umfangsseitig geschlossen ist.
Energieabsorptionsvorrichtung (10, 40, 50, 60, 70) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Wandstruktur (12) zumindest teilweise aus einem metallischen Material gebildet ist.
Energieabsorptionsvorrichtung (70) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei zwischen den Wänden (16, 18) mindesten ein weiteres Zusatzelement (72) mit einer richtungsabhängigen Faserstruktur angeordnet ist, wobei die Faserstruktur senkrecht sowohl zur Wandstrukturachse (14) als auch zur Aufprallrichtung (20) orientiert ist.
Energieabsorptionsvorrichtung (70) nach Anspruch 13, wobei eine erste Mehrzahl von Zusatzelementen (62) und eine zweite Mehrzahl von Zusatzelementen (72) zueinander senkrecht angeordnet sind.
Fahrzeug, umfassend mindestens eine Energieabsorptionsvorrichtung (10, 40, 50, 60, 70) nach einem der vorangehenden Ansprüche.
Fahrzeug nach Anspruch 15, wobei die Wandstruktur (12) einen Teil eines Seitenschwellers, einer Stoßfängereinrichtung, eines Türrahmens, einer Dachstruktur oder eine Sitzes des Fahrzeugs bildet.