DE2357264C3 - Energieabsorbierende Lenksäule für Kraftfahrzeuge - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine energieabsorbierende Lenksäule für Kraftfahrzeuge nach dem Oberbegriff von Anspruch I.

Energieabsorbierende Lenksäulen der eingangs genannten Art sind bereits in einer Vielzahl von Ausführungsformen bekannt (vgl. z. B. DE-OS 935 746). Ihre Aufgabe ist es, einen Aufprall auf das Lenkrad durch eine Verschiebung des Lenkrades und eine plastische Verformung von energieabsorbieren-

den Teilen der Lenksäule energieverzehrend aufzufangen. Dabei ist es erwünscht, daß die energieabsorbierenden Teile der Lenksäule die Energie gleichmäßig und ohne hohe Spitzenbelastung aufnehmen.

Bei einer energieabsorbierenden. Lenksäule treten normalerweise eine Freibrechkraft, eine Massenträgheitskraft und eine Energievernichtungskraft auf. Die Freibrechkraft ist jene Kraft, die erforderlich ist, um die Lenksäule von. ihrer Befestigungseinrichtung zu lösen. Die Massenträgheitskraft ist jene Kraft, die erforderlich ist, um die Masse der Lenksäule und des Lenkrades zu beschleunigen. Die Energievernichtungskraft ist jene Kraft, die für die plastische Verformung des energieabsorbierenden Teiles der Lenksäule erforderlich ist.

Treten diese drei Kräfte gleichzeitig auf, so ergibt sich für einen gegen das Lenkrad prallenden Körper eine hohe Spitzenbelastung. Diese hohe Spitzenbelastung ist unerwünscht und gefährlich, da durch sie das für einen Insassen erträgliche Maß leicht überschritten wird.

Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine energieabsorbierende Lenksäule der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der eine solche hohe Spitzenbelastung vermieden wird, indem die hauptsächliche Energievernichtungskraft erst dann wirksam wird, wenn die Freibrechkraft und die Massenträgheitskraft bereits wieder auf Null abgefallen sind.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale nach Anspruch I gelöst.

Hinsichtlich der Teilmerkmale a und b wird auf die DE-OS 1925950 verwiesen. Außerdem wirken bei diesem bekannten Gegenstand kugelförmige Vorsprünge plastisch verformend auf das Lenksäulenrohr zur Energieumwandlung ein.

Eine energieabsorbierende Lenksäule gemäß der Erfindung weist eine Vielzahl von Teilen zum Absorbieren der aus einem Aufprall auf da* Lenkrad resultierenden Energie auf. Die energieabsorbierende Wirkung der verschiedenen Teile der Lenksäule tritt hierbei in einer bestimmten Aufeinanderfolge auf und vermeidet hierdurch die Entstehung von hohen Spitzenbelastungen, die einen auf das Lenkrad aufprallenden Körper gefährden könnten. Die erfindungsgemäße Lenksäule sorgt für einen im wesentlichen gleichbleibenden Widerstand gegen einen Aufprall, während sich ihre verschiedenen Teile lösen bzw. deformieren.

Bei einem nach vorwärts gerichteten größeren Aufprall auf das Lenkrad wird die einwirkende Kraft eine Anzahl aufeinanderfolgender energieabsorbierender Wirkungen der einzelnen Teile der Lenksäulenanordnung wie folgt hervorgerufen: (1) die energieabsorbierende Polsterung der Prallplatte des Lenkrades wird nachgeben, (2) die Verbindung der beiden ineinander schiebbaren Teile der Lenkwelle wird sich lösen, (3) das Lenkrad und der obere Teil der Lenkwelle wird beschleunigt und gegen den gewellten Pralltopf bewegt, (4) der gewellte Pralltopf wird plastisch verformt und absorbiert hierbei einen anfänglichen Teil der Aufprallbelastung, (5) die obere Befestigungseinrichtung wird die Lenksäule freigehen und die gesamte Lenksäulenanordnung wird nach vorwärts beschleunigt, bis sie eine mit der Geschwindigkeit des auf das Lenkrad aufprallenden Korpers übereinstimmende Geschwindigkeit aufweist, und (6) die Vorsprünge der unteren Befestigungseinrichtung werden durch plasti-

sehe Verformung Verlängerungen der anfänglichen Nuten in das Lenksäulenrohr eingraben, wodurch der Hauptteil der kinetischen Energie des auf das Lenkrad aufprallenden Körpers absorbiert wird.

Das heißt, die hauptsächliche Energievernichtungskraft tritt erst dann auf, wenn die Freibrechkraft und die Massenträgheitskraft bereits wieder auf Null abgefallen sind.

Der gewellte Pralltopf wirkt hierbei als wirksamer Energievernichter für einen anfänglichen Teil der Aufprallbelastung, da er weder Drehkräfte noch Biegekräfte aufnehmen muß, wie es bei bekannten Anordnungen von gewellten Pralltöpfen der Fall war. Der gewellte Pralltopf kann somit alleine auf den Zweck der Energieaufnahme durch plastische Verformung ausgelegt werden.

Die Erfindung wird anhand eines in den beiliegenden Zeichnungen gezeigten Ausführungsbeispieles näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Lenksäulenanordnung;

Fig. 2 zeigt eine vergrößerte Seitenansicht des mittleren Teiles der Lenksäulenanordnung in Fig. 1;

Fig. 3 zeigt einen Schnitt entlang der Linie 3-3 in Fig. 1, der die Befestigungseinrichtung mit den Vorsprüngen zur plastischen Verformung zeigt;

Fig. 4 zeigt einen Schnitt entlang der Linie 4-4 in Fig. 1, der die Befestigungseinrichtung mit den Einrichtungen zum Freigeben und darauffolgenden Führen der Lenksäule zeigt;

Fig. 5 zeigt einen Schnitt entlang der Linie 5-5 in Fig. 2;

Fig. 6 zeigt einen Teilschnitt entlang der Linie 6-6 in Fig. 3, der den Eingriff der Vorsprünge zur plastischen Verformung des Lenksäulenrohres in die Nuten des Lenksäulenrohres zeigt;

Fig. 7 zeigt eine vergrößerte Ansicht des oberen Endes der Lenksäule teilweise in Schnittdarstellung.

In Fig. 1 ist die Lenksäulenanordnung 10 eines Kraftfahrzeuges gezeigt, die konstruiert ist, um die kinetische Energie eines auf das Lenkrad aufprallenden Körpers zu absorbieren. Die Lenksäulenanordnung 10 ist hierbei über obere und untere Befestigungseinrichtungen 14 und 16 an einer Konsole 12 festgelegt, die an der Karosserie des Fahrzeuges an der Spritzwand 18 und einem Teil des Instrumentenbrettes 20 befestigt ist.

Die unteren und oberen Befestigungseinrichtungen 14 und 16 halten ein Lenksäulenrohr 21, das das äußere Gehäuse der Lenksäulenanordnung 10 bildet. Der Aufbau und die Funktion der beiden Befestigungseinrichtungen 14 und 16 für das Lenksäulenrohr 21 werden nachfolgend beschrieben.

Ein GetriebeschaJtrohr 22 ist einstückig ausgebildet und verläuft innerhalb des Lenksäulenrohres 21 und ist am unteren Ende in einem Lager 23 gelagert.

Eine zweiteilige, teleskopische Lenkwellenanordnung 24 ist innerhalb des Getriebschaltrohres 22 angeordnet. Die Lenkwellenanordnung 24 besteht aus einem oberen Lenkwellenteil 25 und einem unteren Lc nkwellenteil 26. Die beiden Lenkwellenteile 25 und

26 sind über Reibuiicsglieder oder Abscherelemente

27 miteinander verbunden, die ein teleskopisches Ineinanderschieben der beiden Lenkwellenteile 25 und 26 bei Überschreitung einer bestimmten axialen Belastung ermöglichen.

Bin ringförmiges Gehäuse 28 aus Spritzguß ist mit dem oberen Ende des Lenksäulenrohres 21 fest verbunden. Das Gehäuse 28 stützt ein Lager 29, das wieder den oDeren Lenkwellenteil 25 drehbar gelagert hält. Das Gehäuse 28 trägt weiterhin einen Gangschalthebel 30, der mit dem Getriebeschaltrohr 22 > verbunden ist. Das untere Ende des Getriebeschaltrohres 22 ist mit dem Wechselgetriebe verbunden, so daß über den Gangschalthebel 30 der Fahrer des Fahrzeuges in bekannter Weise jede gewünschte Gangstufe des Wechselgetriebes schalten kann. Um

ι» die Zeichnungen übersichtlicher und leicht verständlicher zu halten, sind die Verbindungen zwischen dem Gangschalthebel 30 und dem Getriebschaltrohr 22 in Fig. 7 nicht gezeigt.

Das Ende des oberen Lenkwellenteiles 25 erstreckt

ι > sich über das Gehäuse 28 hinaus und ist mit der Nabe eines Lenkrades 31 mittels eines Bolzens 32 verbunden. Eine energieabsorbierende Polsterung 33 ist in Form einer Prallplatte auf dem Lenkrad 31 befestigt. Ein plastisch defbrmierbarer, energieabsorbieren-

JH der, gewellter Pralltopf 34 ist mit seiiii-m unteren Ende 35 fest am Gehäuse 28 der Lenksäulenanordnung 10 befestigt. Der gewellte Pralltopf 34 erstreckt sich nach oben und umgibt das vorragende Ende des oberen Lenkwellenteiles 25. Ein ringförmiger Teil 36 ist mit

-'"> dem Lenkrad 31 durch Schweißen verbunden und weist einen sich im wesentlichen axial erstreckenden Ringflansch 37 auf, der das obere Ende 38 des gewellten Pralltopfes 34 von außen übergreift.

Es wird darauf hingewiesen, daß der gewellte Prall-

iii topf 34 nur an seinem unteren Ende 35 mit der Lenksäulenanordnung 10 verbunden ist und ansonsten unabhängig von der Lenkwellenanordnung 24 und dem Lenkrad 31 ist.

Die Lenkwellenanordnung 24 ist an ihrem unteren

η Ende über eine flexible Welle 42 mit einem Lenkgetriebe 40 verbunden. Die Durchtrittsöffnung der flexiblen Welle 42 durch die Spritzwand 18 ist hierbei durch einen Gummibalg 44 abgedichtet.

Mit Bezug auf Fig. 4 wird nachfolgend der Aufbau der oberen Befestigungseinrichtung 16 beschrieben. Gemäß der Erfindung wirkt die obere Befestigungseinrichtung 16 sowohl als Freigebe- als auch als Führungseinrichtung für das Lenksäulenrohr 21.
Wie aus Fig. 4 zu ersehen ist, liegen iie Lenkwel-

ii lenanordnung24, das Getriebeschaltrohr 22 und das Lenksäulenrohr 21 konzentrisch zueinander. Ein Paar von halbkreisförmigen Metallstreifen 46 und 47 sind am Lenksäulenrohr 21 im Bereich der oberen Befestigungseinrichtung 16 angeordnet. Die Metallstreifen

->o 46 und 47 werden übsr an ihren Enden nach einwärts gebogene Zungen 55 und 51 in Off nungen 48 und 49 im Lenksäulenrohr 21 axial festgelegt.

Ein Paar halbkreisförmiger Kunststoffschalen 52 und S3 sind über den halbkreisförmigen Metallstreifen

->> 46 und 47 liegend angeordnet. Die Kunststof/schalen 52 und 53 können aus einem Material wie z. B. Teflon hergestellt sein und mit der inneren Oberfläche eines Paares halbkreisförmiger Gumrr.ischalen 54 und 55 verbunden seit«.

mi Ein Paar Klemmbügel 56 und 57 weisen aneinanderliegende Befestigungslaschen 58, 59 und 60, 61 auf. Die Klemmbügel 56 und 57 weisen halbkreisförmige Mittelteile 62 und 63 auf, die um die Gummischalen 54 nind 55 liegen. Die Gummischalen 54

hi und 55 sind hierbei mit sich nach außen erstreckenden Ansätzen versehen, die in entsprechende öffnungen in den Mittelteilen 62 und 63 der Klemmbügel 56 und 57 einragen.

Die Konsole 12 ist hierbei mit sich seitlich erstrekkenden Befestigungslaschen 64 und 65 versehen, an denen die Befestigungslaschen 58. 59 und 60, 61 der Klemmbügel 56und 57 über Bolzen befestigt werden. Die Bolzen verspannen die Klemmbügel 56 und 57 gegeneinander, so daß die Gummischalen 54 und 55 die Kunststof !schalen 52 und 54 fest gegen die Metallstreifen 46 und 47 liegend halten, wodurch das Lenksäulenrohr 21 während eines normalen Gebrauches des Kraftfahrzeuges an der Karosserie festgelegt ist.

Die obere Befestigungseinrichtung 16 hält hierbei die Lenksäulenanordnung 10 an der Konsole 12 festgelegt, wobei die zwischengeschalteten Gummischalen 54 und 55 eine Übertragung von Geräuschen und Schwingungen von der Kraftfahrzeugkarosserie auf die Lenksäulenanordnung vermeiden. Die Befestigungseinrichtung 16 ermöglicht jedoch weiterhin ein Freigeben der Lenksäulenanordnung 10, sobald eine einwirkende axiale Belastung einen bestimmten Wert überschreitet, wobei jedoch die Lenksäulenanordnung 10 weiterhin radial geführt wird.

Mit Bezug auf Fig. 3 wird nunmehr die untere Befestigungseinrichtung 14 näher erläutert.

Das Lenksäulenrohr 21 wird von einem starren Haltering 68 umgeben, der sich seitlich erstreckende Arme 70 und 72 aufweist. Die seitlichen Arme 70 und 72 sind an Befestigungslaschen 64 und 65 der Konsole 12 über Bolzen 73 und 75 befestigt.

Der Haltering 68 besitzt eine Mittelöffnung 74, durch die sich das untere Ende 66 des Lenksäulenrohres 21 erstreckt. Vier am Abstand zueinander liegende, nach innen einragende Vorsprünge 76 sind an der Innenfläche der Mittelöffnung 74 ausgebildet.

Das untere Ende 66 des Lenksäulenrohres 21 ist mit vier axial verlaufenden Nuten 78 versehen, in die die Vorsprünge 76 mit einem Paßsitz eingreifen.

Jede der Nuten 78, in die die Vorsprünge 76 einragen, erstreckt sich vom unteren Ende 66 des Lenksäulenrohres 21 zu einem Punkt, der hinter dem Eingriff der Vorsprünge 76 in die Nuten (siehe Fig. 6) liegt. Die Enden der Nuten 78 liegen um einen bestimmten Vrr<;rhif»hf»u/po vnm Pineriff Hf»r VnrcnriincM» TA f»nt_

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fernt, wobei dieser bestimmte Verschiebeweg etwa der Dicke der energieabsorbierenden Polsterung 33 des Lenkrades 31 bzw. einem Abstand von 25 bis 40 mm entspricht.

Eine Kunststoffbüchse 80 ist an einer Seite des Halteringes 68 in Öffnungen 74 des Halteringes 69 einragend, das Lenksäulenrohr 21 umfassend, angeordnet.

Ein Sperring 82 ist an der anderen Seite des Halteringes 68, das Lenksäulenrohr 21 umfassend, angeordnet und besitzt nach unten gerichtete Zähne 84, die sich in die Außenfläche des Lenksäulenrohres 21 eingraben, um eine Bewegung der Lenksäulenanordnung 10 während eines normalen Betriebes nach vome zu vermeiden.

Funktionsweise

Die Lenksäulenanordnung 10 wird durch die untere und obere Befestigungseinrichtung 14 und 16 in ihrer Betriebslage gehalten. Die Vorsprünge 76 des Halteringes 68 greifen mit einem Preßsitz in die Nuten 78 im Lenksäuienrohr 21 ein und verhindern so eine unerwünschte Verlagerung. Die Zähne 84 des Sperringes 82 greifen in das Lenksäulenrohr 21 und verhindern eine unerwünschte Verschiebung.

Während eines normalen Betriebes des Kraftfahrzeuges wird die Lenksäulenanordnung 10 in herkömmlicher Weise funktionieren.

Im Falle eines kleineren nach vorwärts gerichteten Aufpralles auf das Lenkrad 31 wird die energieabsorbicrende Polsterung 33 nachgeben und die kinetische Energie des Aufpralls aufnehmen.

Im Falle eines größeren nach vorwärts gerichteten Aufpralls auf das Lenkrad 31 wird eine Anzahl von aufeinanderfolgenden Wirkungen eintreten. Während der Anfangsphase des Aufpralls wird die energieabsorbierende Polsterung 33 des I^nkrades 31 nachgeben und einen geringen Teil der Belastung absorbieren. Sobald die Polsterung 33 nachgegeben hat, wird eine ansteigende Belastung auf die übrigen Teile der Lenksäulenanoidnung 10, einschließlich der Abscherelcmente 27 für die Lenkwellenanordnung 24 und der oberen Befestigungseinrichtung 16 des Lenksäulenrohres 21 übertragen. Sobald die Belastung einen Punkt erreicht, an dem ein vorbestimmter minimaler Wert erreicht wird, werden die Abscherelemente 27 brechen und ein Ineinanderschieben der beiden Lenkwellenteile 25 und 26 ermöglichen.

Nachdem die Abscherelemente 27 gebrochen sind, wird sich das Lenkrad 31 nach vorwärts bewegen und der Nabenteil 36 wird gegen das obere Ende 38 des gewellten Pralltopfes 34 treffen. Während sich das Lenkrad 31 unter der Aufprallkraft weiter nach vorwärts Uiwegt, wird sich der gewellte Pralltopf 34 plastisch deformieren und einen weiteren Teil der kinetischen Energie des Aufpralls absorbieren,

Die Aufprallkiaft, die eine Deformierung des gewellten Pralltopfes 34 bewirkt, wird über das Lenksäulenrohr 21 auf die Befestigungseinrichtungen 14 und 16 übertragen. Die obere Befestigungseinrichtung 16 wird hierbei einer Verschiebung des Lenksäulenrohres 21 einen anfänglichen Widerstand entgegensetzen.

Sobald die auf die obere Befestigungseinrichtung 16 einwirkende Kraft einen vorbestimmten Wert übersteigt, wird das Lenksäulenrohr 21 freigegeben und beginnt, sich nach vorwärts zu verschieben.

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des Lenksäulenrohres 21 werden die Kunststoffschalen 52 und 63 der oberen Befestigungseinrichtung 16 über Metallstreifen 46 und 47, die am Lenksäulenrohr 21 festgelegt sind, gleiten. Nach einer bestimmten Anfangsverschiebung kommen die Kunststoffschalen 52 und 53 außer Eingriff mit den Metallstreifen 46 und 47, so daß die Kunststoffschalen 52 und 53 gegenüber dem Lenksäulenrohr 21 ein Spiel von der Dicke der Metallstreifen 46 und 47 erhalten, wodurcfi eine lockere Führung des Lenksäulenrohres 21 nach dem Freigeben gewährleistet wird.

In der unteren Befestigungseinrichtung 14 liegen die Vorsprünge 76 im Abstand zu den Enden der Nuten 78, so daß bei einer anfänglichen Verschiebebewegung des Lenksäulenrohres 21 nur ein durch den Preßsitz der Vorspränge 76 in die Nuten 78 und durch den Sperring 82 bewirkter Widerstand auftritt. Die Enden der Nuten 78 liegen hierbei so weit von den Vorsprängen 76 entfernt, daß ein einwandfreies Freigeben des Lenksäulenrohres 21 durch die obere Befestigungseinrichtung 16 gewährleistet ist.

Ein Teil der Aufprallbelastung muß nunmehr dazu aufgewendet werden, um die Massenträgheit der Lenksäulenanordnung 10 zu überwinden und sie auf eine Vorwärtsbewegung mit der Geschwindigkeit des auf das Lenkrad 31 aufschlagenden Körners zu be-

schleunigen. Sobald die Lenksäulenanordnung 10 auf diese Geschwindigkeit beschleunigt ist, gelangen die Vorspriinge 76 an das F.nde der Nuten 78 und beginnen, hier Verlängerungen der Nuten 78 entlang der Oberfläche des Lenksäulenrohres 21 einzugraben.

Diese plastische Verformung des Lenksäulenrohres 21 wird die kinetische Energie des auf das lenkrad 31 aufprallenden Körpers absorbieren.

Bei einer Lenksäulenanordnung gemäß der Erfindung wird der Widerstand, der durch das Nachgeben der energieabsorbierenden Polsterung am Lenkrad 31, das Brechen der Abscherelemente 27 an der Lenkwellenanordnung 24, dem Verformen des gewellten Pralltopfes 34, dem Freigeben der oberen Befestigungseinrichtung 16, dem Beschleunigen der Lenksäulenanordnung 10 auf die Aufprallgeschwindigkeit und dem Eingraben der Nuten in das Lenksäulenrohr 21 auftritt, aufeinanderfolgend wirksam werden. Die Lenksäulenanordnung 10 sorgt somit für einen gleichmäßigen Widerstand bzw. für eine gleichmäßige Energieaufnahme der Aufprallenergie.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Energieabsorbierende Lenksäule für Kraftfahrzeuge mit einer an der Karosserie über eine an der Spritzwand befestigte Konsole gehaltenen Lenksäule, die eine Lenkwelle drehbar gelagert aufnimmt, die an ihrem oberen Ende mit einem Lenkrad und an ihrem unteren Ende über eine flexible Welle mit einem Lenkgetriebe verbunden ist, wobei das Lenkrad mit einer gepolsterten Prallplatte versehen und das obere Ende der Lenksäule zwischen dem Lager für die Lenkwelle und der an dem vorragenden Ende der Lenkwelle befestigten Nabe des Lenkrades mit einem freistehenden, gewellten Pralltopf versehen ist, gekennzeichnet durch die Kombination folgender zum Teil an sich bekannter Merkmale:

a) die Lenkwelle (24) besteht in bekannter Weise aus zwei bei Überschreitung einer axialen Belastung ineinander schiebbaren Teilen (25 und 26).

b) Die Lenksäule (10) ist in bekannter Weise über eine obere Befestigungseinrichtung (16) an der Karosserie (12) festgelegt, die die Lenksäule (10) bei Üiverschreitung einer axialen Belastung axial freigibt, jedoch radial führt.

c) Die Lenksäule (10) ist über eine untere Befestigungseinrichtung (14) derart an der Karosserie festgelegt, daß in bekannter Weise bei einer axialen Verschiebung der Lenksäule (10) Vorsprünge (76) plastisch verformend auf das Leriksäv^nrohr (21) einwirken, wobei jedoch die plastische Verformung erst nach einem bestimmten Verschiebeweg der Lenksäule (10) wirksam wird.

2. Lenksäule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der bestimmte Verschiebeweg angenähert gleich der Dicke der energieabsorbierenden Polsterung (33) der Prallplatte ist.

3. Lenksäule nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der bestimmte Verschiebeweg 25 bis 40 mm beträgt.

4. Lenksäule nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die untere Befestigungseinrichtung (14) aus einem an der Karosserie festgelegten Haltering (68) besteht, der nach innen einragende Vorsprünge (76) aufweist, die in im Lenksäulenrohr (21) über die Länge des bestimmten Verschiebeweges ausgebildete Nuten (78)einragen,sodaßerst nach Durchlaufen dieses Weges die Vorsprünge (76) plastisch verformend auf das Lenksäulenrohr (21) einwirken.