PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE19702995A1 04.09.1997
Titel Energieabsorbierender Formkörper
Anmelder BASF AG, 67063 Ludwigshafen, DE
Erfinder Krückau, Fritz Ernst, 67271 Battenberg, DE;
Haardt, Udo, 68647 Biblis, DE;
Lenz, Werner, 67059 Ludwigshafen, DE
DE-Anmeldedatum 28.01.1997
DE-Aktenzeichen 19702995
Offenlegungstag 04.09.1997
Veröffentlichungstag im Patentblatt 04.09.1997
IPC-Hauptklasse C08J 9/16
IPC-Nebenklasse C08L 23/12   C08L 25/06   B60R 21/04   
IPC additional class // B60R 19/03,B60K 37/00,B60N 2/42,2/48  
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft einen energieabsorbierenden Formkörper aus zwei Schaumstoffschichten A und B, die in Kraftangriffsrichtung hintereinander angeordnet sind. Die Schicht A ist ein Polypropylenschaumstoff, die Schicht B ein Polystyrolschaumstoff.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen energieabsorbierenden Formkörper aus zwei in Kraftangriffsrichtung hintereinander angeordneten Schaumstoffschichten, die unterschiedliche Formänderungswiderstände aufweisen.

Formkörper aus Polymerschaumstoffen werden vielfältig zur Aufnahme von Stoßenergien eingesetzt. Sie haben dabei die Aufgabe, diese Energien durch Verrichtung von Verformungsarbeit abzubauen.

Polymerschäume werden zum Beispiel als elastische Energieabsorber in Stoßfängersystemen von Personenkraftwagen eingesetzt, wobei der Schaumstoff einem Biegeträger vorgeschaltet ist, der wiederum an 2 nachgeschalteten Fahrzeuglängsträgern abgestützt und befestigt wird. Solche Stoßfängersysteme werden in der Regel derart dimensioniert, daß die beim Fahrzeugaufprall eingeleiteten Stoßenergien in Europa bis 4 km/h und in den USA bis 5 mph elastisch oder zumindest ohne sichtbare Schäden aufgenommen werden. Als Werkstoffe kommen für diese Anwendung als elastischer Energieabsorber vorzugsweise ein geschlossenzelliger expandierter Polypropylenschaum in der Dichte von 20 bis 120 g/dm³ oder ein offenzelliger halbharter Polyurethanschaum in der Dichte von 60 bis 160 g/dm³ zum Einsatz.

Aus Versicherungsgründen werden viele Fahrzeuge hinter dem Biegeträger des Frontstoßfängersystems mit Überlastschutzelementen für die Fahrzeuglängsträger ausgestattet, deren Aufgabe es ist, Schäden an den Längsträgern bis 15 km/h Aufprallgeschwindigkeit zu vermeiden. Gegenwärtig sind dafür meist metallische, dünnwandige Hohlkörper vorgesehen, vorzugsweise Rohrkonstruktionen, die eine Umsetzung der Stoßenergie in Verformungsarbeit durch Umstülpen, Beulen oder Knittern ermöglichen. Von Nachteil sind bei diesen Ausführungen die sich stark reduzierende Energieabsorption, wenn die Aufprallrichtung von der Längsachse der rohrförmigen Absorptionselemente abweicht.

Weitere Nachteile sind das höhere Gewicht und die erforderlichen mechanischen Vorbearbeitungen an den metallischen Absorptionselementen. Die den Biegeträgern nachgeschalteten Absorptionselemente sollen in der Praxis nach vorangegangenen Stoßvorgängen leicht austauschbar sein und erfordern daher zusätzliche Befestigungselemente und Montageschritte.

Es wurde gefunden, daß ein schadensfreier Aufprall mit 4 km/h bzw. 5 mph sowie die begrenzte Krafteinleitung bei 15 km/h mit einem Formkörper erreicht wird, der besteht aus zwei Schaumstoffschichten A und B, die in Kraftangriffsrichtung hintereinander angeordnet sind, wobei die Schaumstoffschicht A ein Polypropylen- Schaumstoff einer Dichte von 20 bis 120 g·dm-3 und die Schaumstoffschicht B ein Polystyrol-Schaumstoff der Dichte 20 bis 60 g·dm-3 ist.

Die Kombination der Schaumstoffe A und B bewirkt, daß ein ebener Formkörper konstanten Querschnitts die eingeleitete Stoßenergie auf einem nahezu konstanten Druckspannungsniveau im Bereich zwischen 20 und 80% Stauchung aufnimmt, wobei sich der Schaumstoff A im Bereich zwischen >0 und <70% Stauchung, vorzugsweise zwischen 20 und 50% elastisch verformt und der Schaumstoff B im Bereich von >0 und <30% Stauchung, vorzugsweise zwischen 5 und 20%. Unter Druckspannung versteht man die wirkende Druckkraft, bezogen auf den beanspruchten Querschnitt eines Formkörpers.

Dabei ist es für die Funktion unerheblich, ob die Elastizitätsgrenzen exakt in den angegebenen bevorzugten Stauchungsbereichen liegen, oder ob in diesen Stauchungsbereichen schon erste plastische Verformungsanteile auftreten. In der Praxis sind bleibende Stauchungen von <5% ein akzeptabler Wert. Dagegen ist es wichtig, daß die Schaumstoffschicht A den Großteil der Stoßenergie bei kleinen Aufprallgeschwindigkeiten bis 4 km/h oder 5 mph elastisch oder nahezu elastisch aufnimmt und durch Verformungsarbeit abbaut, während die Schaumstoffschicht B nur unwesentlich deformiert wird. Bei hohen Aufprallgeschwindigkeiten bis 15 km/h nimmt der Schaumstoff B den Großteil der Stoßenergie auf, wobei nun durchaus große plastische Verformungen und Risse in dem eingesetzten Polymerschaum auftreten können.

Die Schaumstoffschicht A ist ein Polypropylen-Schaumstoff mit einer Dichte von 20 bis 120 g·dm-3, vorzugsweise von 50 bis 80 g·dm-3.

Polypropylene im Sinne der Erfindung sind Homo- und Copolymere des Propylens mit bis zu 15 Gew.-% an Olefincomonomeren. Besonders bevorzugt sind Random-Copolymerisate des Propylens mit 1 bis 6 Gew.-% Ethylen. Polypropylen-Schaumstoffe können nach verschiedenen Methoden hergestellt werden, beispielsweise durch Vermischen von Polypropylen-Schmelze mit flüchtigen Treibmitteln unter Druck und Extrusion unter Aufschäumen, oder bevorzugt durch Versintern von Polypropylen-Schaumpartikeln bei Temperaturen oberhalb des Erweichungspunktes des Polypropylens.

Die Herstellung von Schaumstoffpartikeln aus Propylenpolymerisaten ist an sich bekannt. Sie erfolgt im allgemeinen durch Imprägnieren von teilchenförmigen Propylenpolymerisaten, vorzugsweise von Extrudergranulat, in wäßriger Suspension mit einem Treibmittel, z. B. einem Kohlenwasserstoff und/oder einem anorganischen Gas unter Druck und erhöhter Temperatur und anschließendem Entspannen der Suspension. Besonders gut geeignet sind runde Partikel mit einem Durchmesser von 2 bis 10 mm und einer Schüttdichte zwischen 10 und 80 g/l. Diese Partikel werden bei Temperaturen oberhalb des Erweichungsbereichs des Propylenpolymerisats, vorzugsweise zwischen 130 und 150°C in einer geschlossenen Form zu einem Formkörper verschweißt.

Polystyrole im Sinne der Erfindung sind Homo- und Copolymerisate des Styrols mit bis zu 50 Gew.-% an Comonomeren, beispielsweise α-Methylstyrol, Acrylnitril oder Ester der (Meth-)Acrylsäure. Die Polystyrole können auch mit anderen Polymeren, beispielsweise Kautschuken oder Polyphenylenoxid abgemischt sein.

Die Schaumstoffschicht B ist ein Polystyrol-Schaumstoff mit einer Dichte von 20 bis 60 g·dm-3, vorzugsweise von 40 bis 50 g·dm-3.

Polystyrol-Schaumstoffe werden nach bekannten Verfahren entweder durch Vermischen von Polystyrol-Schmelze mit flüchtigen Treibmitteln unter Druck und Extrusion unter Aufschäumen hergestellt, oder durch Versintern von vorgeschäumten Teilchen. Vorgeschäumte Teilchen werden erhalten durch Behandeln von treibmittelhaltigen Polystyrol-Partikeln mit Wasserdampf; die treibmittelhaltigen Polystyrol-Partikel werden entweder durch Imprägnieren von Polystyrol-Partikeln mit flüchtigen Treibmitteln oder durch Polymerisation in wäßriger Suspension von Styrol (gegebenenfalls zusammen mit Comonomeren) in Gegenwart von Treibmitteln hergestellt.

Die erfindungsgemäßen energieabsorbierenden Formkörper werden durch Verbinden der Schaumstoffschichten A und B hergestellt. Dies kann durch Formschluß geschehen, z. B. durch zusammenstecken entsprechend geformter Schaumstoffteile. Man kann die Verbindung auch durch Kleben herbeiführen, z. B. mit handelsüblichen Schmelzklebern, oder durch lösungsmittelfreie Klebstoffe, wie z. B. Epoxidharz-Kleber.

Die energieabsorbierenden Formkörper können insbesondere als Stoßfänger-Systeme im Automobilbau eingesetzt werden, daneben auch als Seitenaufprallschutz in Türen und als Crash-Elemente in Sitzen von Kraftfahrzeugen, ferner als Knieaufprallschutz, in Kopfstützen und Kopfaufprallpolster in instrumententafeln.

Bei der bevorzugten Anwendung im Stoßfängerbereich wird die steifere Schaumstoffschicht B mit einem Stoßfängerträger als Widerlager verbunden, so daß eine Krafteinwirkung unmittelbar auf die Schaumstoffschicht A erfolgt.

Neben dieser Kombination kann auch die Gestaltung variiert werden, ohne daß sich an dem beschriebenen Prinzip des zweistufigen Energieabsorbers wesentliches ändert. So ist als Alternative ein Tausch der beiden Positionen der Schaumstoffschichten A und B denkbar, was den zusätzlichen Vorteil hätte, daß die der Kraftangriffsrichtung zugewandte steifere Schicht B bei räumlich gekrümmten Stoßkörpern als Lastverteiler fungiert, wodurch der Verformungsweg bei Stoßbelastung mit kleinen Aufprallgeschwindigkeiten reduziert werden kann.

Weiterhin kann es sinnvoll sein, die als Überlastschutz eingesetzte steifere Schicht B bei Stoßfängeranwendungen nur lokal vor dem Biegeträger im Bereich der beiden Fahrzeuglängsträger zu plazieren, wenn es die durch Fahrzeugmasse und Aufprallgeschwindigkeit gegebenen Anforderungen zulassen, daß kleine Volumina ausreichen oder wenn nur ein Offset-Crash mit 40% Überdeckung der Fahrzeugbreite zur feststehenden Wand verlangt wird und somit in Stoßfängermitte kein Überlastschutzabschnitt notwendig ist.

Der Vorteil des zweistufigen Energieabsorbers auf Schaumstoffbasis gegenüber den gängigen Ausführungen ist der, daß bei Stoßfängeranwendungen die als Überlastschutz wirkende Schaumstoffschicht B vor dem Stoßfängerträger angeordnet werden kann und somit eine einfachere Montage ohne zusätzliche Befestigungselemente sowie ein kostengünstiges Auswechseln im Falle eines Aufpralls möglich ist. Ein weiterer Vorteil ist die Gewichtseinsparung und damit auch die Minderung des Treibstoffverbrauchs durch den Einsatz von leichten Schaumstoffen.


Anspruch[de]
  1. 1. Energieabsorbierender Formkörper, bestehend aus zwei Schaumstoffschichten A und B, die in Kraftangriffsrichtung hintereinander angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaumstoffschicht A ein Polypropylen-Schaumstoff einer Dichte von 20 bis 120 g·dm-3 und die Schaumstoffschicht B ein Polystyrol-Schaumstoff der Dichte 20 bis 60 g·dm-3 ist.
  2. 2. Energieabsorbierender Formkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckspannungsniveau der Kombination der Schaumstoffe A und B zwischen 20 und 80% Stauchung auf einem nahezu konstanten Niveau liegt, wobei der Schaumstoff A sich im Bereich zwischen >0 und 70% Stauchung und der Schaumstoff B sich im Bereich zwischen >0 und 30% Stauchung elastisch verformen läßt.
  3. 3. Energieabsorbierende Formkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Schaumstoffteile aus dem Schaumstoff B nur abschnittsweise hinter einem Schaumstoffteil aus dem Schaumstoff A positioniert sind.






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

Patent Zeichnungen (PDF)

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com