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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine stoßdämpfende Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1. Eine derartige Vorrichtung ist aus der US-A-4 029
350 bekannt.
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Bekanntermaßen gibt
es verschiedene stoßdämpfende
Vorrichtungen, insbesondere mit zelligen Strukturen, üblicher
als "Wabenstrukturen" definiert.
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Wabenstrukturen
sind tatsächlich
spezielle Strukturen, allgemein charakterisiert durch gute Stoßdämpfungseigenschaften.
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Sie
werden daher dort eingesetzt, wo es notwendig ist, die Wirkungen
eines Stoßes
auf Personen oder Fortbewegungsmittel (insbesondere Kraftfahrzeuge)
zu mindern.
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Es
gibt derzeit verschiedene Typen von Wabenstrukturen; erstens: Aluminium-Wabenstrukturen.
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Sie
bieten eine gute Leistung in Bezug auf Stoßdämpfung.
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Das
Herstellverfahren für
diese Wabenstrukturen umfasst im Wesentlichen Folgendes: Aluminiumflachfolien
werden im Hin- und Hergang entlang vorgegebener Linien geklebt:
nachfolgend werden die nicht geklebten Bereiche geweitet, um die
Hohlräume
(die verschiedene Formen aufweisen können) der Wabenstruktur zu
bilden.
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Ein
anderer Typ von Aluminium-Wabenstruktur wird hergestellt durch Kleben
vorgeformter Aluminiumfolien auf Aluminiumflachplatten. Dieser Typ
ist durch dickere Wände
charakterisiert.
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Die
Haupteinschränkung
der Aluminium-Wabenstrukturen besteht in ihren Kosten, die sehr
hoch sein können.
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Ein
zweiter Typ von bekannter Wabenstruktur ist der extrudierte Kunststofftyp.
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Diese
bestehen im Wesentlichen aus durch Extrusion hergestellten Röhren aus
Kunststoff, z.B. aus Polycarbonat, die nachfolgend zusammengeklebt
oder -geschweißt
werden, um die Wabenstruktur zu bilden. Sie haben relativ dünne Wände: sie
arbeiten gut bei mittlerer spezifischer Kompression (im Allgemeinen
unterhalb 10 N/mm2): Hochenergiestöße verlangen
daher beträchtliche
Ausdehnungen dieser Wabenstruktur.
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Die
Einschränkungen
dieser Wabenstrukturen sind: sehr hohe Kosten und begrenzte Anwendungsgebiete
(nicht alle Motorfahrzeuge haben genügend Raum, um die erforderliche
Ausdehnung dieser Wabenstrukturen aufzunehmen).
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Ein
dritter Typ an bekannter Wabenstruktur ist die spritzgegossene Kunststoff-Wabenstruktur.
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Sie
werden aus verschiedenen Materialien hergestellt: z.B. Polypropylen,
ABS, Polycarbonat und Polyethylen.
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Sie
sind viel billiger als die anderen Typen, aber ihre Leistung ist
entschieden schlechter.
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Zum
Erhalt von spritzgegossenen Wabenstrukturen müssen die Wände der Wabenstrukturen eine
Mindestdicke von 1 bis 1,5 mm aufweisen.
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Während einer
aus der Stoßwirkung
resultierenden Biegedeformation erfahren die Wände daher eine beträchtliche
Dehnung.
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Ferner
weisen die oben erwähnten
Kunststoffe eine mäßige Bruchdehnung
auf.
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Im
Falle eines Stoßes
neigen daher die Wände
von spritzgegossenen Wabenstrukturen dazu, sehr rasch zu kollabieren,
mit daraus resultierendem schlechtem Stoßdämpfungsvermögen.
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Eine
weitere Beobachtung bezüglich
der bekannten Technik, die für
alle oben beschriebenen Typen von Wabenstrukturen gilt, ist, dass
sie an einem ihrer longitudinalen Enden verjüngt sein können, um den absorbierten Energiepeak
zu vermindern: allgemein gilt, dass je enger die Verjüngung, umso
niedriger der Peakwert der absorbierten Energie.
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Die
Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung liegt in der Herstellung
einer stoßdämpfenden Vorrichtung
mit verbesserter Effizienz, die im Vergleich zur bekannten Technik
eine überlegene
Leistung bietet.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt in der Herstellung
einer stoßdämpfenden Vorrichtung
mit verbesserter Effizienz, die leichter und billiger ist als Aluminium-Wabenstrukturen.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt in der Herstellung
einer stoßdämpfenden Vorrichtung
mit verbesserter Effizienz, die billiger ist als extrudierte Kunststoff-Wabenstrukturen.
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Diese
und andere Aufgaben werden erzielt durch eine stoßdämpfende
Vorrichtung gemäß dem kennzeichnenden
Teil von Anspruch 1, auf den hier der Kürze halber Bezug genommen wird.
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Weitere
Eigenschaften der vorliegenden Erfindung sind in den anderen Ansprüchen definiert.
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Weitere
Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung und der beigefügten zeichnerischen Darstellung,
vorgestellt als nicht-limitierendes Beispiel; in der Zeichnung zeigen:
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1 eine
axonometrische Darstellung einer stoßdämpfenden Vorrichtung mit verbesserter
Effizienz gemäß einer
ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung im Zustand vor einem Stoß;
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2 eine
axonometrische Darstellung der stoßdämpfenden Vorrichtung von 1 im
Zustand nach einem Stoß;
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3 einen
Längsschnitt
der stoßdämpfenden
Vorrichtung gemäß den 1 bis 2 im
Zustand nach einem Stoß;
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4 eine
axonometrische Darstellung einer stoßdämpfenden Vorrichtung mit verbesserter
Effizienz, die zu einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung gehört,
im Zustand vor einem Stoß;
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5 eine
axonometrische Darstellung der stoßdämpfenden Vorrichtung von 4 im
Zustand nach einem Stoß;
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6 einen
Graphen, der eine Energieabsorptionskurve eines ersten bekannten
Absorbers repräsentiert;
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7 einen
Graphen, der zwei Energieabsorptionskurven repräsentiert, die sich auf zwei
bekannte Absorber, mit und ohne Verjüngung, beziehen; und
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8 einen
Graphen, der drei Energieabsorptionskurven repräsentiert, wobei zwei sich auf bekannte
Absorber, mit und ohne Verjüngung,
beziehen und die dritte sich auf die erfindungsgemäße Vorrichtung
bezieht.
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Es
wird nun auf die 1 bis 3 Bezug genommen,
gemäß welchen
die stoßdämpfende
Vorrichtung mit verbesserter Effizienz gemäß einer ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung insgesamt mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet
ist.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
besteht im Wesentlichen aus einer spritzgegossenen Kunststoff-Waben-
oder -Zellstruktur.
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Die
Wabenstruktur ist in den 1 bis 5 insgesamt
mit der Bezugsziffer 20 bezeichnet.
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Die
Wabenstruktur 20 weist eine Anzahl von Lamellen 11 auf,
die einzelne Kanäle 12 mit
im Wesentlichen hexagonalem Querschnitt definieren, welche in Öffnungen 13 im
unteren Teil der Wabenstruktur 20 enden.
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In 1 sind
die hexagonalen Öffnungen 14, die
die hexagonalen Kanäle 12 definieren,
im oberen Teil der Wabenstruktur 20 zu sehen.
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Im
Besonderen ist der für
die Vorrichtung gemäß vorliegender
Erfindung verwendete Kunststoff ein Kunstharz, gewonnen aus Polycarbonat
(eingetragene Marke von General Electric: Xenoy®).
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Dieses
Material ist gekennzeichnet durch einen hohen Bruchdehnungswert;
zudem behält
es seine mechanischen Eigenschaften im Temperaturbereich –40°C/+80°C im Wesentlichen
stabil bei.
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Dieses
Material ist ferner über
einen weiten Temperaturbereich stabil; es zeigt gutes Verhalten unter
dem Gesichtspunkt der Elastizität,
ist nicht fragil und zeigt keine Neigung zum Kollabieren oder Explodieren
infolge Stoß.
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Der
hohe Bruchdehnungswert dieses Materials erlaubt die Herstellung
von spritzgegossenen Wabenstrukturen, die effizienter arbeiten können als
die bekannten spritzgegossenen Wabenstrukturen: tatsächlich kollabieren
während
eines Stoßes
die Innenwände
von mit Xenoy® geformten
Wabenstrukturen nicht und erfüllen
daher ihre Funktion, die Stoßenergie
zu absorbieren und in Deformationsenergie umzuwandeln, effizient.
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Andererseits
sei daran erinnert, dass die Außenwände dieser
Wabenstrukturen ein sehr hohes Maß an Deformation, mit der Bezugsziffer 16 bezeichnet,
erfahren und sehr bald brechen.
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Es
folgt, dass auf diese Weise hergestellte Wabenstrukturen ihre Funktion
zwar effizienter erfüllen
als die bekannten spritzgegossenen Wabenstrukturen, jedoch nicht
bis zu ihrem vollen Potential.
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Ein
weiteres geeignetes Material, welches für die erfindungsgemäße Vorrichtung
als Alternative zu Xenoy® Verwendung finden kann,
ist gummigefülltes
Polypropylen.
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Die
in den 4 bis 5 gezeigte Ausführungsform,
insgesamt mit der Bezugsziffer 10' bezeichnet, weist ein Deformationseindämmungselement 15 auf, welches
vorzugsweise aus einem hoch widerstandsfähigen Material, z.B. Stahl,
hergestellt ist.
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Dies
erhöht
die Effizienz der Wabenstrukturen 20.
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Diese
Eindämmungselemente 15 müssen so bemessen
sein, dass sie der erheblichen Beanspruchung infolge sowohl des
Stoßes
als auch des resultierenden Seitenschubs der spritzgegossenen Wabenstrukturen
standhalten (die Außenwände der
Wabenstrukturen 20 neigen bei Kompression zu seitlicher
Deformation).
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Dank
des Effekts der Eindämmungselemente 15 arbeiten
die Seitenwände
der Wabenstrukturen 20 ebenfalls effizient: tatsächlich wird
eine die Bruchgrenzen des Materials überschreitende Deformation auch
an den Wänden
selbst verhindert, welche zur Erhöhung der Effektivität der Stoßdämpfung beitragen
(da sie nicht kollabieren, absorbieren sie weiterhin Stoßenergie
und wandeln sie in Deformationsenergie um).
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Die
Eindämmungselemente 15 können aus einem
hoch widerstandsfähigen
Material hergestellt sein, z.B. Stahl.
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Der
Effekt dieser Elemente 15 auf das Gesamtgewicht der Vorrichtung
ist mäßig, da
ihr Volumen gut unterhalb des Gesamtvolumens liegt: selbst wenn
Materialien mit einem hohen spezifischen Gewicht verwendet werden
(z.B. Stahl), ist das Gesamtgewicht der Vorrichtung 10' in jedem Fall
geringer als das ähnlicher
Produkte aus Aluminium.
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Die
Eindämmungselemente 15 müssen nicht unbedingt
integral (geklebt, geschweißt)
mit den Wabenstrukturen ausgebildet sein; ferner können die Elemente
direkt an den Fahrzeugen realisiert sein.
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Es
folgt nun eine detailliertere Untersuchung der Eigenschaften der
als Absorber verwendeten Materialien anhand der 6 bis 8,
gemäß welchen
Fp das Plateau-Niveau der Kraft und %DEF die Deformation des Absorbers
in Prozent bezeichnen.
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6 zeigt
einen Graphen, der eine Energieabsorptionskurve eines ersten bekannten
Absorbers repräsentiert,
wobei die Kurve durch den Buchstaben A bezeichnet ist.
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Andererseits
zeigt 7 einen Graphen, der zwei Energieabsorptionskurven
repräsentiert,
welche sich auf zwei bekannte Absorber, mit Verjüngung (Kurve B) und ohne Verjüngung (Kurve
C), beziehen; das Vorhandensein der Verjüngung verhindert den Absorptionskurvenpeak.
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Ferner
zeigt 8 einen Graphen, der drei Energieabsorptionskurven
repräsentiert;
zwei davon beziehen sich auf bekannte Absorber, mit Verjüngung (Kurve
D) und ohne Verjüngung
(Kurve E).
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Die
Kurve F dagegen bezieht sich auf die erfindungsgemäße Vorrichtung;
die Kurve zeigt das konstante Verhalten des erfindungsgemäßen Absorbers
in Relation zu verschiedenen Druckverformungen in Prozent.
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Die
Wabenstrukturen wie die im Kontext der vorliegenden Erfindung beschriebenen
weisen an mindestens einem ihrer longitudinalen Enden eine Verjüngung auf.
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Die
Eigenschaften der stoßdämpfenden
Vorrichtung mit verbesserter Effizienz sowie ihre Vorteile und Wirkungsweise
ergeben sich aus der bereitgestellten Beschreibung.
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Die
folgenden Betrachtungen und abschließenden Anmerkungen sollen die
obigen Vorteile gegenüber
den bekannten Produkten noch genauer und klarer definieren.
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Erstens
bieten die erfindungsgemäßen Vorrichtungen
im Vergleich zu Aluminium-Wabenstrukturen das gleiche Leistungsniveau,
sind aber viel billiger und leichter.
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Verglichen
mit extrudierten Kunststoff-Wabenstrukturen bieten die erfindungsgemäßen Vorrichtungen
das gleiche Leistungsniveau, sind aber viel billiger und kompakter.
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Verglichen
mit spritzgegossenen Kunststoff-Wabenstrukturen bieten die erfindungsgemäßen Vorrichtungen
ein viel höheres
Leistungsniveau.
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Der
Kontext der Erfindung ist in den der vorliegenden Anmeldung beigefügten Ansprüchen definiert.