ZIMMERMANN, Marc (Obere Burghalde 33, Leonberg, 71229, DE)
D'ADDETTA, Gian Antonio (Breitscheidstrasse 74, Stuttgart, 70176, DE)
STABREY, Stephan (Kronenstrasse 45, Stuttgart, 70174, DE)
MARCHTHALER, Reiner (Kastanienweg 13, Gingen, 73333, DE)
ZIMMERMANN, Marc (Obere Burghalde 33, Leonberg, 71229, DE)
D'ADDETTA, Gian Antonio (Breitscheidstrasse 74, Stuttgart, 70176, DE)
STABREY, Stephan (Kronenstrasse 45, Stuttgart, 70174, DE)
| Ansprüche 1 . Fahrzeug (104) mit einer in einem Kollisionsfall entlang eines Deformationswegs deformierbaren Fahrgastzelle (100-103, 1 12, 181-182), welche aufweist: - ein Dissipationsmittel (100-103, 1 12) zum Dissipieren von Kollisionsenergie durch die Deformation entlang des Deformationswegs; und - ein Begrenzungsmittel (131 ) zur Begrenzung des Deformationswegs derart, dass in der Fahrgastzelle (100-103, 1 12) ein Überlebensraum (142) um einen Fahrgast gewahrt bleibt. 2. Fahrzeug (104) nach Anspruch 1 , mit einem Fahrgasthaltemittel (144, 146) zum Halten des Fahrgastes innerhalb des Überlebensraums (142). 3. Fahrzeug (104) nach Anspruch 2, wobei das Fahrgasthaltemittel (144, 146) an einer rückwärtigen Seite (182) der Fahrgastzelle (100-103, 1 12, 181-182) befestigt ist. 4. Fahrzeug (104) nach Anspruch 2 oder 3, mit: - einem Kollisionsrichtungsdetektor (756) zum Detektieren eines Kollisionsfalls in einer Kollisionsrichtung des Fahrzeugs (104); und - einer Befestigungseinrichtung (754, 750) zum Befestigen des Fahrgasthaltemittels (144, 146) an einer der Kollisionsrichtung abgewandten Seite der Fahrgastzelle (100-103, 1 12, 181-182), wenn der Kollisionsrichtungsdetektor (756) den Kollisionsfall in der Kollisionsrichtung detektiert. 5. Fahrzeug (104) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Fahrgastzelle (100-103, 1 12, 181-182) eine im Kollisionsfall unter Dissipation von Kollisionsenergie entlang dem Deformationsweg zusammenfaltbare Faltenbalgstruktur (990) aufweist. 6. Fahrzeug (104) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Fahrgastzelle (100-103, 1 12, 181-182) einen im Kollisionsfall unter Dissipation von Kollisionsenergie entlang dem Deformationsweg zusammenschiebbaren Teleskoplängsträger (1 12) aufweist. Fahrzeug (104) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Dissipations- mittel (100-103, 1 12) an einer Außenseite der Fahrgastzelle (100-103, 1 12, 181-182) einen nach außen gebogenen Außenlängsträger (100, 101 ) aufweist, welcher im Kollisionsfall unter Dissipation von Kollisionsenergie verbiegbar ist. Fahrzeug (104) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die deformierbare Fahrgastzelle (100-103, 1 12, 181-182) zumindest ein Steifigkeitszunahmestruktur- element (134) aufweist, welches so bemessen und angeordnet ist, dass eine Gesamt- steifigkeit der Fahrgastzelle (100-103, 1 12, 181-182) mit einer Verkürzung der Fahrgastzelle (100-103, 1 12, 181-182) im Kollisionsfall wesentlich monoton zunimmt. Fahrzeug (104) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Fahrgastzelle (100-103, 1 12, 800, 181 -182) zumindest ein adaptives Strukturelement (1 12, 802, 804-805) zum adaptiven Anpassen einer Steifigkeit der Fahrgastzelle (100-103, 1 12, 800, 181-182) an den Kollisionsfall aufweist. 0. Fahrzeug (104) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die deformierbare Fahrgastzelle (100-103, 1 12, 800, 181-182) zumindest ein Fahrzeugquerrichtungs- strukturelement (800) aufweist, welches so bemessen und in einer Fahrzeugquerrichtung angeordnet ist, dass in einem Kollisionsfall in einer Fahrzeuglängsrichtung eine Verkürzung der Fahrgastzelle (100-103, 1 12, 800, 181-182) in der Fahrzeuglängsrichtung eine Längenänderung des Fahrzeugquerrichtungsstrukturelements (800) unter Dissipation von Kollisionsenergie bewirkt und in einem Kollisionsfall in der Fahrzeugquerrichtung der Deformationsweg so begrenzt wird, dass der Überlebensraum gewahrt bleibt. |
Titel
Fahrzeug mit deformierbarer Fahrgastzelle Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Fahrzeug mit einer in einem Kollisionsfall deformierbaren Fahrgastzelle, insbesondere ein Personenkraftfahrzeug mit einer derartigen Fahrgastzelle.
Fahrzeuge sind mobile Fortbewegungsmittel, die dem Transport von Gütern, Werkzeugen und/oder Personen dienen und z.B. als Wasserfahrzeuge, Landfahrzeuge, Luftfahrzeuge, Raumfahrzeuge oder Kombinationen hiervon ausgebildet sein können. Zudem lassen sich Fahrzeuge nach vielfältigen weiteren Kategorien untergliedern. Beispielhaft seien hier bei Luftfahrzeugen Hubschrauber und Starrflügelflugzeuge und bei Landfahrzeugen Fahrzeuge mit Rädern wie Straßenfahrzeuge oder Eisenbahnen und Fahrzeuge ohne Räder wie Luftkissenfahrzeuge, Magnetschwebefahrzeuge oder Seilbahnkabinen genannt. Insbesondere ganz oder teilweise dem Personentransport dienende Fahrzeuge sowie Fahrzeuge, die von einem sich mit dem Fahrzeug bewegenden Fahrzeugführer steuerbar sind, weisen typi- scherweise einen als Fahrgastzelle bezeichneten Raum zur Aufnahme ein oder mehrerer Fahrgäste auf, unter denen sich auch ein Führer des Fahrzeugs befinden kann.
Obwohl auf beliebige Fahrzeuge mit einer Fahrgastzelle anwendbar, wird die Erfindung und das ihr zugrunde liegende Problem im Folgenden im Hinblick auf für die Fahrt auf Straßen geeignete Personenkraftfahrzeuge erläutert. Moderne Fahrzeuge dieser Art bieten im Falle eines Kollisionsunfalls ein hohes Maß an Schutz für die Insassen bzw. Fahrgäste des Fahrzeugs. Dies wird erreicht zum einen durch Insassenschutzsysteme wie Gurte und Airbags im Fahrzeug, zum anderen durch die Auslegung der Fahrzeugstruktur mit einer steifen Fahrgastzelle, die sich in normalen Crashszenarios (Euro-NCAP, US-NCAP, II HS, AZT) im We- sentlichen nicht deformiert. Damit ist gewährleistet, dass den Fahrzeuginsassen der erforderliche Überlebensraum erhalten bleibt. Der Überlebensraum beschreibt den Raum, der vom Insassen zum Abbau seiner kinetischen Energie durch die Insassenschutzsysteme benötigt wird. In diesen Überlebensraum sollten auch im Crashfall keine den Insassen gefährdenden Körper wie Strukturen oder Komponenten des eigenen Fahrzeuges oder des Kollisionsgegners eindringen. Beim Stand der Technik stellt dieser Überlebensraum einen geometrischen Unterraum des von der Fahrgastzelle umspannten Fahrzeuginnenraums dar. Aufgrund der im Wesentlichen nicht deformierenden Fahrgastzelle bleibt der Überlebensraum im Crashfall erhalten.
Vor (und hinter) dieser Fahrgastzelle befinden sich Strukturelemente (sogenannte Knautschzonen), die im Crashfall unter Dissipation der kinetischen Energie des Fahrzeuges gezielt deformiert werden. Durch diese gezielte Deformation wird der Verzögerungsverlauf der Fahrgastzelle derart beeinflusst, dass die Insassenbelastungen unterhalb der biomechanischen Grenzen bleiben.
Figur 12 zeigt einen herkömmlichen Personenkraftwagen 910 mit einer in der Wagenmitte angeordneten Fahrgastzelle 902. Vor der Fahrgastzelle 902 befindet sich ein als Vorderwa- gen 900 bezeichneter Fahrzeugteil, in dem der Motorraum und die Aufhängung der Vorderräder 108 untergebracht sind. Hinter der Fahrgastzelle 902 befindet sich ein als Hinterwagen 901 bezeichneter Fahrzeugteil, in dem ein Kofferraum und die Aufhängung der Hinterräder 1 10 untergebracht sind. Die in Fig. 12 dargestellte Fahrzeugstruktur ist typischerweise so ausgelegt, dass Vorder- und Hinterwagen die Knautschzonen bilden, die sich im Falle von Front- oder Heckkollisionen verformen, während die Fahrgastzelle stabil bleibt, um zu erreichen, dass die Insassen nicht von intrudierenden Fahrzeugteilen verletzt werden und ausreichend Überlebensraum verbleibt. In Fig. 12 mit gestrichelten Linien und gestrichenen Bezugszeichen dargestellte Elemente beziehen sich auf den Zustand vor einer Kollision. Mit der Elektrifizierung des Antriebsstrangs ergeben sich neue Gestaltungsspielräume beim Fahrzeugdesign, weil großvolumige Komponenten wie ein Verbrennungsmotor und Getriebe entfallen. So ist z. B. bei Verwendung von Radnabenmotoren und Montage der Batterie unter dem Fahrzeugboden ein Vorderwagen nicht grundsätzlich erforderlich. Die Funktionalität des Energieabbaus im Kollisionsfall muss bei Wegfall eines Vorderwagens mit Knautschzone anders als beim Stand der Technik realisiert werden, um kleinere, leichtere und dennoch sichere Fahrzeuge herzustellen.
Offenbarung der Erfindung
Demgemäß ist ein Fahrzeug mit einer im Kollisionsfall entlang eines Deformationswegs deformierbaren Fahrgastzelle vorgesehen, welche ein Dissipationsmittel zum Dissipieren von Kollisionsenergie durch ihre Deformation entlang des Deformationswegs aufweist. Die Fahr- gastzelle umfasst weiterhin ein Begrenzungsmittel zur Begrenzung des Deformationswegs derart, dass in der Fahrgastzelle ein Überlebensraums um einen Fahrgast gewahrt bleibt.
Die Fahrgastzelle besteht somit unter anderem aus das Dissipationsmittel bereitstellenden Strukturelementen, die unter Dissipation von Energie um ein definiertes Maß - den Deformationsweg - deformierbar sind, und aus das Begrenzungsmittel bereitstellenden Strukturelementen, die bewirken, dass die Steifigkeit der Fahrgastzelle sprunghaft zunimmt, wenn die Deformation dieses definierte Maß erreicht, so dass eine weitere Deformation weitgehend unterbunden wird. Die das Begrenzungsmittel bereitstellenden Strukturelemente begrenzen die Deformation auf ein zur Wahrung des Überlebensraums notwendiges Maß, welches im Folgenden als Überlebensraummaß bezeichnet wird. Dissipations- und Begrenzungsmittel können dabei sowohl durch unterschiedliche Strukturelemente oder ganz oder teilweise durch dieselben Strukturelemente bereitgestellt sein. Beim Stand der Technik stellt ein Überlebensraum einen geometrischen Unterraum des von einer nicht wesentlich deformierenden Fahrgastzelle umspannten Fahrzeuginnenraums dar und bleibt deshalb auch im Standard-Crashfall erhalten. Die Fahrgastzelle des erfindungsgemäßen Fahrzeugs hingegen deformiert zwar - kontrolliert durch das Dissipationsmittel entlang dem Dissipationsweg - unter Dissipation der Kollisionsenergie, der Überlebensraum um den Fahrgast bleibt aber dennoch gewahrt, weil der Deformationsweg durch das Begrenzungsmittel begrenzt wird. Die Erfindung ermöglicht auf diese Weise, bei einem Unfall die Struktur der Fahrgastzelle selbst für den zum Schutz der Insassen notwendigen Energieabbau zu nutzen. Dies geschieht bei gleichbleibend hohem Insassenschutz und unter Verhinderung des Kontaktes der Insassen mit intrudierenden Strukturen. Dadurch ist es möglich, durch Verzicht auf zusätzliche Deformationselemente die Fahrzeugmasse und den erforderlichen Bauraum zu reduzieren. Im Gegensatz zum Stand der Technik können daher vor (und hinter) der Fahrgastzelle befindliche Knautschzonen entfallen. So kann der herkömmliche Vorder-/Hinterwagen entfallen oder auf ein Minimum reduziert werden, so dass ohne Beeinträchtigung des Insassenschutzes Fahrzeuggewicht und -große reduziert werden können. Die Verringerung der Masse kommt der Energieeffizienz zugute, was ferner eine Reduktion der C0 2 -Emissionen ermöglicht.
Vorzugsweise weist das Fahrgasthaltemittel zum Halten des Fahrgastes innerhalb des Überlebensraums auf. Beispielsweise kann das Fahrgasthaltemittel einen Fahrgastsitz und/oder mindestens ein Fahrgastrückhaltemittel wie Gurte und/oder Airbags umfassen, durch die der Fahrgast besonders sicher innerhalb des Überlebensraums gehalten wird. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist das Fahrgasthaltemittel an einer rückwärtigen Seite der Fahrgastzelle befestigt, bezogen auf eine normale Vorwärtsfahrtrichtung des Fahrzeugs. Beim üblichen Fahrzeug (nach oben beschriebener Bauart mit Knautschzone) treten an jeder Stelle der Fahrgastzelle etwa die gleichen Verzögerungswerte auf, da die steife Fahrgastzelle näherungsweise als starrer Körper betrachtet werden kann. Die Anbindung der Insassen an die Fahrgastzelle (über ein Fahrgasthaltemittel wie Sitz und Gurt) kann dabei an jedem beliebigen Ort der Fahrgastzelle erfolgen. Bei der deformierbaren Fahrgastzelle des erfindungsgemäßen Fahrzeugs sind die auftretenden Beschleunigungen ortsabhängig. Die betragsmäßig höchsten Werte treten an der kollisionszugewandten Seite auf, die niedrigsten an der kollisionsabgewandten. Bei einer Frontalkollision gegen eine feste Wand wird beispielsweise der zuerst auftreffende Fahrzeugteil abrupt abgebremst, die Verzögerung weiter hinten liegender Teile des Fahrzeugs wird durch die Deformation der davor liegenden Strukturen gemindert. Die rückwärtige Seite der Fahrgastzelle, an der gemäß der vorliegenden bevorzugten Weiterbildung das Fahrgasthaltemittel befestigt ist, liegt in dem häufigsten Fall einer Frontalkollision des Fahrzeugs am kollisionsabgewandten Ende der Fahrgastzelle. Somit werden durch eine einfach zu verwirklichende konstruktive Maßnahme die Beschleunigungen, die während des am häufigsten auftretenden Kollisionstyps auf den Fahrgast wirken, auf ein besonders niedriges Maß begrenzt. In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist das Fahrzeug einen Kollisionsnchtungsdetektor zum Detektieren eines Kollisionsfalls an einer Kollisionsrichtung des Fahrzeugs und eine Befestigungseinrichtung zum Befestigen des Fahrgasthaltemittels an einer der Kollisionsrichtung abgewandten Seite der Fahrgastzelle auf, wenn der Kollisionsnchtungsdetektor den Kollisionsfall in der Kollisionsrichtung detektiert. Der Kollisionsnchtungsdetektor kann z.B. als ein ohnehin vorhandenes Airbagsteuergerät und dessen Sensoren ausgebildet sein. Mit Kollisionsrichtung ist eine Richtung gemeint, die vom Fahrgast aus gesehen zu der Stelle am Fahrzeug weist, an der das Fahrzeug mit einem weiteren Objekt kollidiert. Somit erfolgt die Fixierung des Fahrgasthaltemittels richtungsadaptiv: Beispielsweise weist in einem Frontcrash die Kollisionsrichtung nach vorn, somit werden Insassen und Rückhaltemittel am hinte- ren Ende der Fahrgastzelle fixiert. In einem Heckcrash weist die Kollisionsrichtung nach hinten, sodass Insassen und Rückhaltemittel am vorderen Ende fixiert werden. Auf diese Weise werden auf den Fahrgast wirkende Beschleunigungen unabhängig vom Kollisionstyp auf ein besonders niedriges Maß begrenzt. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung weist die Fahrgastzelle als Dissipationsmittel eine im Kollisionsfall unter Dissipation von Kollisionsenergie entlang dem Deformationsweg zusammenfaltbare Faltenbalgstruktur auf. Beispielsweise ist die Faltenbalgstruktur mit einer Vielzahl von Falten ausgebildet (es könnte auch nur eine Falte sein), die bei Erreichen des Überlebensraummaßes aneinanderstoßen, das eine Begrenzung des Deformationswegs festlegt, und somit eine weitere Deformation unterbinden. Dies ist besonders vorteilhaft, da sowohl das Dissipationsmittel als auch das Begrenzungsmittel durch die Formgebung der Fahrgastzelle selbst gebildet sind, sodass kein zusätzliches Material verwendet zu werden braucht.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung weist die Fahrgastzelle einen im Kollisionsfall unter Dissipation von Kollisionsenergie entlang dem Deformationsweg zusammenschiebbaren Teleskoplängsträger auf, d.h. einen Längsträger, der mehrere teleskopartig an- oder inein- ander verschiebbare Teilträger umfasst, z.B. im einfachsten Fall einen erste und einen zweiten Teilträger, die parallel gegeneinander verschiebbar sind. Auf diese Weise ist der Teleskoplängsträger durch Verschiebung der Teilträger gegeneinander in seiner Länge variierbar und kann z.B. im unbeschädigten Fahrzeug beidseitig im Bereich der Fahrgastzelle aufgehängt werden, sodass er während deren Verformung in Position gehalten wird, bis bei ent- sprechender Verengung der Fahrgastzelle der Teleskoplängsträger vollständig zusammengeschoben ist und eine Wirkung als Begrenzungsmittel zur Begrenzung der Deformation einsetzt. Vorzugsweise sind die beiden Teilträger so ausgestaltet, dass bei der Parallelverschiebung Reibungsarbeit geleistet wird. Beispielsweise weisen die Teilträger ineinandergreifende, unter Spannung stehende Profile auf. Dies ermöglicht dem Teleskoplängsträger, auch als Dissipationsmittel zum Dissipieren von Kollisionsenergie zu wirken.
Beispielsweise weist der erste und/oder der zweite Teilträger wesentlich das Überlebensraummaß auf. Das heißt, das Überlebensraummaß ist als geometrische Länge zumindest eines der Teilträger verwirklicht. Hierdurch ist auf einfache Weise eine minimale physische Länge des durch den Teleskoplängsträger gebildeten Begrenzungsmittels festgelegt, über die hinaus das Begrenzungsmittel nicht mehr durch Zusammenschieben der Teilträger verkürzbar ist.
Beispielsweise weist der erste Teilträger ein Hohlprofil auf, in dem der zweite Teilträger tele- skopartig verschiebbar aufgenommen ist. Dies bewirkt eine besonders sichere Verbindung der Teilträger und ermöglicht zudem durch Presspassung hohen Energieabbau durch Reibungskräfte während des Zusammenschiebens. Weiterhin kann der erste Teilträger z.B. zumindest teilweise mit einem komprimierbaren Feststoffmaterial gefüllt sein. Dies ermöglicht weiteren Energieabbau durch Kompression des Feststoffmaterials beim Einschieben des zweiten Teilträgers in den ersten.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung weist das Dissipationsmittel an einer Außenseite der Fahrgastzelle einen nach außen gebogenen Außenlängsträger auf, der im Kollisionsfall unter Dissipation von Kollisionsenergie verbiegbar ist. Hierdurch ist die Fahrgastzelle bei Einwirkung einer Kollisionskraft in einer Richtung parallel zur Außenseite verformbar, ohne dass die Fahrgastzelle sich an der Außenseite senkrecht zur Richtung der Kollisionskraft wesentlich verengt, da der gebogene Außenlängsträger durch seine Vorbiegung dazu veran- lasst wird, sich unter Wirkung der Kollisionskraft noch weiter nach außen durchzubiegen. Das Begrenzungsmittel begrenzt dabei die Verformbarkeit der Fahrgastzelle, sobald die Deformation soweit fortgeschritten ist, dass die Fahrgastzelle bis zu einem als Eigenschaft des Begrenzungsmittels vorgegebenen Überlebensraummaß verengt wurde. Der Begriff des "Überlebensraummaßes", das notwendigerweise eine geringere Länge beträgt als die Ab- messung der unbeschädigten Fahrgastzelle in der Richtung der Kollisionskraft, muss nicht unbedingt eine geometrische Länge eines z.B. stabförmig ausgebildeten Längsträgers bezeichnen, sondern ist allgemein als eine Länge zu verstehen, ab der die Begrenzungswirkung des Begrenzungsmittels einsetzt. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung weist die deformierbare Fahrgastzelle zumindest ein Steifigkeitszunahmestrukturelement auf, das so bemessen und angeordnet ist, dass eine Gesamtsteifigkeit der Fahrgastzelle mit einer Verkürzung der Fahrgastzelle im Kollisionsfall wesentlich monoton zunimmt. Die Abhängigkeit der Gesamtsteifigkeit von der Verkürzung kann auch eine abschnittsweise konstante, jedoch im Wesentlichen monoton steigende Funktion sein, d.h. eine Funktion, die keine Abschnitte aufweist, in denen sie wesentlich abfällt.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung weist die Fahrgastzelle zumindest ein adaptives Strukturelement zum adaptiven Anpassen einer Steifigkeit der Fahrgastzelle an den Kollisi- onsfall auf. Auf diese Weise ist der Energieabbau beim Deformieren der Fahrgastzelle Steuer- und regelbar, so dass z.B. die maximal auf die Insassen einwirkende Beschleunigung beim Aufprall möglichst konstant unterhalb eines verträglichen Werts gehalten werden kann.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung weist die Fahrgastzelle zumindest ein Fahrzeug- quernchtungsstrukturelement aufweist, das so bemessen und in einer Fahrzeugquerrichtung angeordnet ist, dass in einem Kollisionsfall in einer Fahrzeuglängsrichtung eine Verkürzung der Fahrgastzelle in der Fahrzeuglängsrichtung eine Längenänderung des Fahrzeugquer- richtungsstrukturelements unter Dissipation von Kollisionsenergie bewirkt und in einem Kollisionsfall in der Fahrzeugquerrichtung der Deformationsweg so begrenzt wird, dass der Über- lebensraum gewahrt bleibt. Das Fahrzeugquerrichtungsstrukturelement ermöglicht bei geringem Materialaufwand doppelten Schutz, da es bei Kollisionen in Fahrzeuglängsrichtung die Funktion des Dissipationsmittels und bei Kollisionen in der Fahrzeugquerrichtung die Funktion des Begrenzungsmittels übernimmt. Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsformen und beigefügter Figuren erläutert. In den Figuren zeigen:
Fig. 1 eine Schnittansicht, mit Blickrichtung von oben, eines Fahrzeugs gemäß einer
Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 2-4 Schnittansichten von oben des Fahrzeugs aus Fig. 1 in aufeinanderfolgenden
Phasen eines Frontalaufpralls gegen eine massive Wand;
Fig. 5 ein Diagramm der Veränderung der Längssteifigkeit des Fahrzeugs aus Fig. 1 mit dem Intrusionsgrad während des Frontalaufpralls aus Fig. 2-4;
Fig. 6 ein Diagramm des zeitlichen Verlaufs der auf die Fahrzeuginsassen des Fahrzeugs aus Fig. 1 wirkenden Beschleunigung während des Frontalaufpralls aus Fig. 2-4;
Fig. 7 eine Längsschnittansicht des Fahrzeugs aus Fig. 1 ;
Fig. 8 eine Schnittansicht, mit Blickrichtung von oben, eines Fahrzeugs gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 9 eine Schnittansicht, mit Blickrichtung von oben, eines Fahrzeugs gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 10 eine Schnittansicht von oben des Fahrzeugs aus Fig. 9 während eines Frontalaufpralls gegen eine massive Wand;
Fig. 1 1 eine Längsschnittteilansicht eines Fahrzeugs gemäß einer Ausführungsform mit einer Vorrichtung zur adaptiven Befestigung eines Fahrgasthaltemittels; und
Fig. 12 eine Schnittansicht eines herkömmlichen Fahrzeugs vor und nach einem Aufprall an Front- und Heckseite. In den Figuren bezeichnen dieselben Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten, soweit nichts Gegenteiliges angegeben ist.
Figur 1 zeigt in einer Schnittansicht von oben ein erfindungsgemäßes Fahrzeug 104 mit ei- ner Fahrgastzelle 100-103, 1 12, 181 -182. Das Fahrzeug 104 weist rein beispielhaft zwei Vorderräder 108, 109, die an zugehörigen Achsschenkeln 1 18, 1 19 mit Lenkern 128, 129 aufgehängt sind, und ein Hinterrad 1 10 auf, das an einer Hinterradschwinge 1 14 aufgehängt ist. Alternative Ausführungsformen betreffen vierrädrige Fahrzeuge und Fahrzeuge mit anderen Radanzahlen.
Die Fahrgastzelle 100-103, 1 12, 181-182 weist eine insgesamt tropfenförmige Außenform mit jeweils einer nach außen gebogenen rechten 101 und linken 100 Seitenwand auf. Durch die nach außen gebogene Form der Seitenwände 100, 101 ist die Vorzugsrichtung für deren Deformation bei Einwirkung einer in Richtung der Fahrzeuglängsachse wirkenden Aufprall- kraft nach außen gerichtet. In alternativen Ausführungsformen kann eine solche Vorzugsrichtung konstruktiv auch durch gewinkelte Strukturen der Fahrgastzelle 100-103 aufgeprägt werden.
In einem Innenraum der Fahrgastzelle 100-103, 1 12, 181-182 verläuft ein zentral entlang der Fahrzeuglängsachse 140 angeordneter Längsträger 1 12, der teleskopartig aus einem an einer hinteren Querstruktur 182 an der Heckseite der Fahrgastzellenstruktur aufgehängten ersten Teilträger 131 der Länge 130 mit einem z.B. zylindrischen Hohlprofil und einem in den ersten Teilträger 131 eingeschobenen, an einer vorderen Querstruktur 181 an der Frontseite der Fahrgastzelle aufgehängten zweiten Teilträger 132 zusammengesetzt ist. Das äußere Profil des zweiten Teilträgers 132 entspricht dem Innenprofil des ersten Teilträgers 131 . Innerhalb des ersten Teilträgers 131 ist an dem dem zweiten Teilträger 132 abgewandten Ende ein steifes Deformationselement 134 aus einem komprimierbaren Material angeordnet.
Die Querstrukturen 181 , 182 sind vorne und hinten mit weichen Deformationselementen 1 16, 1 17 versehen. Diese sind leicht austauschbar und werden bei Kollisionen mit geringer Geschwindigkeit deformiert, ohne dass die Fahrzeugstruktur beschädigt wird. Ein in der Fahrgastzelle angeordneter Fahrersitz 144 ist zusammen mit einem Sicherheitsgurt 146 an dem hinteren, ersten Teilträger 131 befestigt. In alternativen Ausführungsformen können z.B. ein Beifahrersitz sowie dessen Gurt ebenfalls am ersten Teilträger 131 befestigt sein. Der Sitz 144 und direkte Rückhaltemittel wie der Sicherheitsgurt 146 bilden somit eine Sicherheitsplattform 144, 146, die am ersten Teilträger 131 und damit auch am hinteren Teil der gesamten Längsstruktur des Fahrzeugs 104 aufgehängt ist. In einer alternativen Ausführungsform kann diese Sicherheitsplattform 144, 146 in Abhängigkeit von der Aufprallrichtung am vorderen oder hinteren Teil des zentralen teleskopartigen Längsträgers 1 12 fixiert werden. Figur 1 1 zeigt eine beispielhafte Realisierung dieser Lösung. Im dargestellten Ausgangszustand für eine Frontalkollision ist die Sicherheitsplattform 144, 146 am hinteren Teilträger 131 des Längsträgers 1 12 über einen Bolzen 750 in einem Langloch 752 fixiert. Im Crashfall einer Frontalkollision wird die Sicherheitsplattform 144, 146 so wie oben beschrieben gegen eine Vorwärtsbewegung zurückgehalten. Im Falle einer Heckkollision detektiert ein mit einem Steuergerät 804 verbundener Beschleunigungssensor 756 eine plötzliche Beschleunigung des Fahrzeugs nach vorn. Das Steuergerät 804 zündet über eine Zündleitung 758 eine Treibladung 754, die derart am Bolzen 750 angebracht ist, dass der Bolzen 750 durch die Explosion der Treibladung 754 in den vorderen Teilträger 132 des Längsträgers 1 12 getrieben wird. Dadurch wird die Sicherheitsplattform 144, 146 gegen eine Rückwärtsbewegung zurückgehalten. Auf diese Weise werden auch im Falle einer Heckkollision die auf die Insassen wirkenden Beschleunigen gering gehalten.
Die Wirkungsweise der Erfindung wird im Folgenden anhand von Fig. 1 bis 4 für verschiedene, aufeinanderfolgende Phasen einer schweren Frontalkollision des Fahrzeugs 104 an gegen eine massive Wand 199 erläutert. In der in Fig. 1 gezeigten Phase ist das unbeschädigte Fahrzeug 104 dargestellt.
In der nachfolgenden, in Fig. 2 gezeigten Phase des Kollisionsablaufs ist das vordere Deformationselement 1 16 für leichte Kollisionen unter Einwirkung der Aufprallkraft 200 bereits vollständig verformt. Die schon im Designzustand nach außen gewölbten äußeren Seitenwände 100, 101 werden gestaucht und biegen sich demzufolge weiter nach außen. Dadurch wird sichergestellt, dass die Fahrgastzelle 100-103 nicht nach innen einknickt und ein gestrichelt eingezeichneter Überlebensraum 142 für die Insassen erhalten bleibt, was daran zu erkennen ist, dass die Seitenwände den Überlebensraum 142 nicht schneiden, wobei in dieser Ausführungsform der in Querrichtung verbleibende Raum sogar vergrößert wird. Während dieser Phase wird der zweite Teilträger 132 des zentralen teleskopartigen Längsträgers 1 12 in dessen ersten Teilträger 131 geschoben. In einer vorteilhaften Ausprägung können die beiden Teilträger 131 , 132 dabei so dimensioniert sein, dass z.B. durch eine kontrollierbare Presspassung der Profile Reibarbeit geleistet und so zusätzliche Aufprallenergie abgebaut wird. Konnte durch den zuvor beschriebenen Mechanismus nicht die gesamte im System befindliche kinetische Energie abgebaut werden, setzt sich die Deformation fort und geht in die in Fig. 3 gezeigte Phase über. Das Fahrzeug 104 ist mittlerweile so stark verformt, dass die Vorderräder 108, 109 auf das Hindernis 199 prallen und die Radaufhängungen 1 18, 1 19 brechen. Die Aufbiegung der Seitenwände 100, 101 hat sich fortgesetzt, sodass deren Widerstand abnimmt. Der zweite Teilträger 132 des teleskopartigen Längsträgers 1 12 trifft nun aber auf das steife Deformationselement 134 im ersten Teilträger 131 und drückt dieses zusammen. Dadurch erhöht sich die Gesamtsteifigkeit des Fahrzeugs 104 trotz Nachgebens der Seitenwände 100, 101 . Das zu Beginn der Verformung des steifen Deformationselements 134 notwendige Kraftniveau ist höher als das vor diesem Punkt zum Zusammenschieben des teleskopartigen Längsträgers 1 12 notwendige Kraftniveau. Damit steigt die effektive Steifigkeit des Systems mit zunehmender Intrusion an. Mittels des steifen Deformationselementes 134 wird die weitere Intrusion somit verlangsamt. Je nach Gewicht des Ge- samtsystems kann für das steife Deformationselement 134 z.B. eine herkömmliche Crashbox eingesetzt werden. Da das steife Deformationselement 134 innerhalb des ersten Teilträgers 131 verbaut ist, wird es vorteilhaft rein axial deformiert. Entsprechend muss das steife Deformationselement 134 nur für diesen Fall ausgebildet werden und kann daher ein geringes Gewicht aufweisen.
Ist die kinetische Energie auch nach vollständigem Aufbrauchen des Deformationswegs des steifen Deformationselements 134 noch nicht abgebaut, geht die Kollision in die in Fig. 4 dargestellte Phase über. Die Fahrgastzelle 100-103 ist inzwischen soweit verkürzt, dass eine weitere Intrusion verhindert werden soll, um die Insassen wirksam zu schützen. Aus diesem Grund trifft nun der erste Teilträger 131 auf die vordere Querstruktur 181 . Der teleskopartige Längsträger 1 12 ist vollständig zusammengeschoben, sodass die Steifigkeit sprunghaft steigt und eine weitere Verkürzung unterbunden wird; beide Teilträger 131 , 132 sind nun vollständig ineinander geschoben und weisen maximale Steifigkeit auf. Dadurch wird das Fahrzeug 104 nun bis zum Stillstand extrem stark verzögert, wobei die weitere Intrusion aufgrund der hohen Längssteifigkeit auf ein Minimum beschränkt bleibt.
Figur 7 zeigt eine vereinfachte Seitenansicht des Fahrzeugs 104 aus Fig. 1 . Das Prinzip deformierbarer Fahrgastzellen-Elemente wird auch in vertikaler Richtung angewandt. Das Dach
102 und der Boden 103 der Fahrgastzelle 100-103 sind ebenfalls nach außen gekrümmt, sodass das Dach 102 sich bei einem Aufprall nach oben biegen wird, während der Boden
103 sich nach unten biegt. Um die Fahrzeuginsassen nicht nur bei einem Längs- sondern auch bei einem Seitenaufprall zu schützen, können Ausführungsformen über quer verlaufende Strukturelemente 800 verfügen, wie sie beispielhaft in Fig. 8 dargestellt sind. Die quer verlaufenden Strukturelemente 800 sind hier auch in Form teleskopartiger Träger ausgebil- det, und werden im Falle eines Längscrashs durch das Aufweiten der äußeren Längstrukturen kontrolliert auseinandergezogen. Eine Ausgestaltungsmöglichkeit dieser Strukturelemente 800 erlaubt z.B. über Reibungseinflüsse den zusätzlichen Abbau der Aufprallenergie. Vorteilhaft ist die Umlenkung von axialen Kräften durch einen Frontalaufprall in die Querrichtung des Fahrzeugs 104 unter gleichzeitiger Ausnutzung dieser Deformationscharakteristik zur Erhaltung des Insassenschutzes. Im Falle einer Seitenkollision werden steife Deformationselemente 834 in der quer verlaufenden weiteren Stütze zusammengedrückt. Nach deren vollständiger Kompression entsteht ein steifer Lastpfad in Fahrzeugquerrichtung durch den der Überlebensraum 142 der Insassen gewahrt bleibt.
Das in Fig. 8 gezeigte Fahrzeug 104 weist ein am ersten Teilträger 131 des teleskopartigen Längsträgers 1 12 angeordnetes Ausströmventil auf, durch das beim Aufprall durch das Eindrücken des zweiten Teilträgers 132 komprimierte Luft ausströmt. Das Ausströmventil ist über eine Steuerleitung 805 mit einem Steuergerät 804 verbunden, was ermöglicht, das in der ersten Teilträger 131 komprimierte Gasvolumen durch einen elektronisch ansteuerbaren Ventilquerschnitt zu beeinflussen, um den Widerstand beim Zusammenschieben der Stütze 1 12 an die Eigenschaften des Aufpralls zu adaptieren. In anderen Ausführungsformen können alle Deformationselemente sowohl adaptiv (d.h. ihr Verhalten situationsabhängig verän- dernd) als auch nicht adaptiv ausgelegt werden. Das Steuergerät 804 kann ferner für weitere Funktionen wie z.B. zur Zündung einer wie in Fig. 1 1 gezeigten Treibladung 754 ausgebildet sein. Bei Fahrzeugen mit elektronisch gesteuerten Rückhaltemitteln wie Airbags oder pyrotechnischen Gurtstraffern kann die Funktionalität des Steuergeräts 804 vorteilhaft in ein Steuergerät der Rückhaltesysteme integriert sein.
Die beschriebenen konstruktiven Maßnahmen führen zu einer mit der Intrusion des Hindernisses 199 während des Aufpralls veränderlichen Längssteifigkeit 504 des Fahrzeugs 104. Dieser Verlauf ist in Fig. 5 skizziert. Entlang der waagerechten Achse ist der Intrusionsgrad aufgetragen, entlang der senkrechten Achse 502 ein geeignetes Maß der Gesamtsteifigkeit 504. Bei kleinen Intrusionen wird beginnend beim ersten Kontakt 510 mit dem Hindernis zunächst nur das dem Hindernis zugewandte weiche Deformationselement 1 16 (bzw. 1 17 bei Heckkollisionen) bei geringer Gesamtsteifigkeit zusammengedrückt. Die Steifigkeit dieses Elements 1 16 nimmt dabei leicht zu. Die Gesamtsteifigkeit steigt sprunghaft, sobald mit zunehmender Intrusion bei Punkt 51 1 die in Fig. 2 gezeigte Phase beginnt und damit die Längsstruktur (Zusammenschieben des Längsträgers 1 12, Deformation der Längsstruktur- elemente 100, 101 , 102, 103, 700) wirksam wird. Auch die Seitenwände deformieren unter Energiedissipation und tragen zur Gesamtsteifigkeit bei. Die nächste Steifigkeitsstufe wird erreicht, sobald bei Punkt 512 das steife Deformationselement 134 aktiviert wird. Diese Steifigkeit kann sich z.B. am Niveau von Crashboxen in herkömmlichen Fahrzeugen orientieren. Ist auch dessen Deformationsweg aufgebraucht, steigt die Steifigkeit an Punkt 513 beim Übergang in die in Fig. 4 gezeigte Phase sprunghaft auf den größten Wert an, wenn der zentrale Längsträger vollständig zusammengeschoben ist. Dieser Steifigkeitsverlauf beeinflusst die auf den Insassen wirkenden Beschleunigungen während des Aufpralls. Deren Verlauf ist in Fig. 6 skizziert. Die über einer Zeitachse 600 entlang der vertikalen Achse 602 aufgetragene Beschleunigung 604 nimmt im Verlauf des Aufpralls betragsmäßig zu. Im Idealfall wird die kinetische Energie schon in der zwischen den Punkten 510 und 513 liegenden Phasen bei durch Auslegung des wirksamen Dissipati- onsmittels begrenzten Beschleunigungen abgebaut. Bei einem sehr schweren Aufprall können jedoch in der jenseits von 513 liegenden Phase auch betragsmäßig hohe Beschleunigungen auftreten, da ein unkontrolliertes Zusammenbrechen der Fahrgastzelle verhindert werden soll. Wie beim Stand der Technik ist es auch hier Aufgabe der Rückhaltesysteme im Fahrzeug, durch geeignete Begrenzung der Gurtkräfte und evtl. vorhandene Airbagstruktu- ren die Belastung der Insassen im verträglichen Rahmen zu halten.
Figur 9 zeigt eine Schnittansicht, mit Blickrichtung von oben, eines weiteren Fahrzeugs 104 mit einer Fahrgastzelle 100-103, bei dem in einem vorderen Bereich der Außenwände 100, 101 eine Faltenbalgstruktur 990 der Fahrgastzelle mit einer Vielzahl von Falten 991 ausgebildet ist. Alternative Ausführungsformen sehen nur eine einzelne Falte 991 vor. Die Faltenbalgstruktur 990 setzt sich im hier nicht gezeigten Boden und Dach der Fahrgastzelle 100- 103 fort. Figur 10 zeigt das Fahrzeug 104 während eines Frontalaufpralls gegen eine massive Wand 199. Während des Frontalaufpralls hat sich die Faltenbalgstruktur 990 unter Abbau von Aufprallenergie soweit verformt, dass benachbarte Falten 991 jeweils in flächige Berührung miteinander gekommen sind, was eine weitere Verkürzung der Fahrgastzelle 100-103 über das in Fig. 10 gezeigte Stadium hinaus verhindert.
Der Fahrersitz 146 und Gurt 146 sind in dieser Ausführungsform auf einem Längsträger 992 befestigt, der an die rückwärtige Seite der Fahrgastzelle, in diesem Fall an die rückwärtige Querstruktur 182 des Fahrzeugs 104 gekoppelt ist. In alternativen Ausführungsformen ohne Querstruktur ist der Längsträger auf andere Weise im Bereich der Fahrgastzellenrückseite befestigt. Hierdurch ist gesichert, dass der Fahrer während der Deformation der Fahrgastzelle 100-103 vor den durch die Frontalkollision bewirkten hohen Beschleunigungen des vorde- ren Fahrzeugteils geschützt bleibt. Die Faltenbalgstruktur 991 ist in alternativen Ausführungsformen mit einer Vorrichtung zur adaptiven Kopplung des Fahrgasthaltemittels an unterschiedliche Teile der Fahrgastzelle kombiniert, z.B. wie in Fig. 1 1 dargestellt.