DE10313469B4

DE10313469B4 - Lenksäulenanordnung für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE10313469B4
Application number: DE2003113469
Authority: DE
Inventors: Jörg von Glinowiecki
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2003-03-26
Filing date: 2003-03-26
Publication date: 2006-07-13
Anticipated expiration: 2023-03-27
Also published as: DE10313469A1; WO2004085228A1

Abstract

Lenksäulenanordnung für ein Kraftfahrzeug, welche bei einer Stoßeinwirkung unter Energieaufnahme verkürzbar ist, mit
– einem an einer Karosserie befestigten teleskopierbaren Mantelrohr,
– einem drehbar gelagerten Umformelement und
– einem durch das Umformelement umgelenkten Energieabsorptionselement, welches sich bei einer Stoßeinwirkung relativ zu dem Umformelement bewegt, dabei verformt und der Stoßeinwirkung einen durch eine Drehung des Umformelements veränderbaren Widerstand entgegenstellt,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Umformelement (6) über seinen radialen Umfang eine Oberfläche mit unterschiedlichen Rauhigkeiten aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Lenksäulenanordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus EP 0 662 414 A1 geht eine Lenksäulenanordnung für Fahrzeuge hervor, die ein teleskopierbares Mantelrohr, eine hierzu innen drehbar und konzentrisch angeordnete Lenkspindel und ein Energieabsorptionselement umfasst. Das bekannte Energieabsorptionselement besteht aus einem Draht, welcher mit dem einen Ende um ein Umformelement gewickelt und mit dem anderen Ende an einem Sicherungselement befestigt ist. Bei einem Aufprall bewegt sich das Umformelement vom Sicherungselement weg und erzeugt so eine Spannung im Draht. Diese Spannung bewirkt eine Abwicklung des Drahts, wodurch der Draht deformiert wird und einen Widerstand erzeugt. Dabei wird Aufprallenergie absorbiert.

Aus der WO 00/76833 A1 geht eine bei einer Stoßeinwirkung unter Energieaufnahme verkürzbare Lenksäulenanordnung der hier angesprochenen Art hervor, welche ein teleskopierbares Mantelrohr, ein drehbar gelagertes Umformelement sowie ein durch das Umformelement umgelenktes Energieabsorptionselement, welches sich bei einer Stoßeinwirkung relativ zu dem Umformelement bewegt, dabei verformt und der Stoßeinwirkung einen durch eine Drehung des Umformelements veränderbaren Widerstand entgegenstellt, umfasst. Das Umformelement weist konvex ausgebildete Umlenkflächen auf, über die das Energieabsorptionselement geführt ist. Um die Reibung zwischen dem Energieabsorptionselement und dem Umformelement in gewünschter Weise zu ändern, wird das Umformelement um seine Drehachse entsprechend verdreht, wodurch sich der Umschlingungswinkel zwischen dem Energieabsorptionselement und dem Umformelement ändert.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Alternative zu der eingangs genannten Lenksäulenanordnung zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch eine Lenksäulenanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Diese zeichnet sich durch ein speziell gestaltetes Crashelement aus. Dieses Crashelement weist ein Umformelement und ein Energieabsorptionselement auf. Bei einer Stoßeinwirkung auf die Lenksäule bewegt sich das Energieabsorptionselement relativ zu dem Umformelement und wird dabei verformt. Durch eine Änderung der Ausrichtung des Umformelements lässt sich der Widerstand einstellen, den das Energieabsorptionselement durch die Verformung bei der Relativbewegung erzeugt. Die Änderung der Ausrichtung des Umformelements durch eine Drehung bewirkt einen anderen Kontakt zwischen dem Energieabsorptionselement und dem Umformelement. Dieser andere Kontakt ruft wiederum eine andere Reaktion zwischen dem Energieabsorptionselement und dem Umformelement hervor. Dadurch ändert sich der Widerstand, den das Energieabsorptionselement durch die Verformung erzeugt. Mit der Erfindung kann demnach das Maß der Energieabsorption besonders einfach an anatomische, wie beispielsweise Körpergröße und Körpergewicht der Fahrzeuginsassen, und fahrdynamische Randbedingungen angepasst und ein Aufprall bestmöglich gedämpft werden. Die erfindungsgemäße Lenksäulenanordnung zeichnet sich dadurch aus, dass das Umformelement über seinen radialen Umfang eine Oberfläche mit unterschiedlichen Rauhigkeiten auf. Diese unterschiedlichen Rauhigkeiten können durch eine Rändelung, wie beispielsweise Rillen, erzeugt werden, die mit unterschiedlichen Ausprägungen in das Umformelement eingearbeitet sind. Durch eine veränderte Ausrichtung des Umformelements umschlingt das Energieabsorptionselement eine andere Stelle auf der Oberfläche des Umformelements, welche dem Energieabsorptionselement, während es sich relativ zum Umformelement bewegt, einen anderen widerstand entgegenstellt. Auf diese Weise lässt sich das Maß der Energieabsorption besonders einfach einstellen.

Um die Funktion der vorliegenden Erfindung sicherzustellen, ist es wichtig, dass ein Ende des Energieabsorptionselements und das Umformelement an zwei im Falle einer Stoßeinwirkung relativ zueinander beweglichen Teilen der Lenksäule angeordnet sind. Dadurch bewegt sich das Energieabsorptionselement im Falle eines Unfalls und einer Verkürzung der Lenksäule relativ zum Umformelement und wird dabei verformt.

Wenn im Zusammenhang mit der Erfindung von einem fahrzeugfest angeordneten Mantelrohr die Rede ist, so kann das Mantelrohr sowohl direkt als auch indirekt – beispielsweise über einen relativ zur Karosserie verschiebbaren Schlitten – an der Karosserie befestigt sein.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Das Umformelement weist gemäß einer Ausführungsform einen kreisförmigen Querschnitt auf. Dadurch ist die Verformung des Energieabsorptionselements besser vorherbestimmbar als bei einem Umformelement mit einem eckigen Querschnitt, da sich das Energieabsorptionselement der Form des Umformelements nach jeder Ausrichtungsänderung an das Umformelement anpasst. Außerdem ist ein zylindrisches Umformelement einfach und kostengünstig herzustellen. Selbstverständlich kann das Umformelement auch einen anderen Querschnitt, wie beispielsweise einen vier- oder mehreckigen Querschnitt, aufweisen.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist rechts und links neben dem Umformelement jeweils ein Niederhalter positioniert. Die Niederhalter sind relativ zum äußeren Mantelrohr fest angeordnet. Um die Niederhalter und das Umformelement herum ist ein Energieabsorptionselement geführt, welches zunächst unterhalb des rechten Niederhalters verläuft, dann oberhalb des Umformelements vorbeigeführt wird und unterhalb des linken Niederhalters endet. Bei einer Relativbewegung zwischen Energieabsorptionselement und Umformelement bzw. Niederhaltern verformt sich das Energieabsorptionselement. Durch die Anordnung des Umformelements relativ zu den Niederhaltern kann ein Mindestmaß an Biegung und Rückbiegung des Energieabsorptionselements eingestellt werden.

In einer weiteren Ausführungsform wird die Ausrichtung des Umformelements mittels einer exzentrischen Lagerung relativ zu den Niederhaltern bewegt. Dies führt zu einem geänderten Umschlingungswinkel des Energieabsorptionselements an dem Umformelement. Dadurch kann der Grad der Verformung des Energieabsorptionselements geändert und demzufolge das Maß der Energieabsorption eingestellt werden.

Das Umformelement weist gemäß einer weiteren Ausführungsform einen zu einer Drehachse asymmetrischen Querschnitt auf. Über diesen asymmetrischen Querschnitt kann bei einer Änderung der Ausrichtung des Umformelements ebenfalls der Umschlingungswinkel des Energieabsorptionselements an dem Umformelement geändert werden. So läßt sich mit einer Änderung der Ausrichtung des Umformelements der Verformungsgrad des Energieabsorptionselement besonders einfach einstellen.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist dem Umformelement eine Verriegelung zugeordnet. Diese Verriegelung führt im Crashfall zu einer formschlüssigen Verbindung zwischen Umformelement und Lenksäulenanordnung. Auf diese Art und Weise wird verhindert, daß die beim Verformen des Energieabsorptionselements auftretende Reaktionskraft und das Reaktionsmoment direkt über den Motor aufgenommen werden. Die Verriegelung ist in einer weiteren Ausführungsform eine Verzahnung.

Im folgenden wird die erfindungsgemäße Lenksäulenanordnung anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht einer Lenksäulenanordnung,
2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Crashelements mit zwei zylindrischen Niederhaltern und einem Umformelement,
3 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Crashelements mit zwei backenartigen Niederhaltern und einem Umformelement,
4 eine schematische Draufsicht eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Crashelements mit zwei Niederhaltern und einem Umformelement,
5a–c jeweils zwei schematische Ansichten von Umformelementen des Ausführungsbeispiels gemäß 4,
6a eine Schnittdarstellung des Crashelements der erfindungsgemäßen Lenksäulenanordnung entlang der Linie VI-VI in 4 im Normalbetrieb sowie
6b eine Schnittdarstellung des Crashelements der erfindungsgemäßen Lenksäulenanordnung entlang der Linie VI-VI in 4 im Crashfall.
Die in 1 dargestellte Lenksäulenanordnung besteht aus einem fahrzeugfest angeordneten äußeren Mantelrohr 1 und einem teleskopförmig in dem äußeren Mantelrohr 1 verschiebbaren inneren Mantelrohr 2. In den Mantelrohren 1, 2 ist eine nicht dargestellte, ebenfalls teleskopierbare, Lenkspindel gelagert, an der ein ebenfalls nicht dargestelltes Lenkrad befestigt ist. Zur Ausführung der Teleskopbewegung von Lenkspindel und Mantelrohr 1, 2 ist eine Spindel 3 vorgesehen, die entlang der Mantelrohre 1, 2 angeordnet ist. Mit ihrem einen Ende ist die Spindel 3 an dem dem Lenkrad zugewandten Ende des inneren Mantelrohrs 2 angelenkt. Das andere Ende der Spindel 3 wirkt mit einer am äußeren Mantelrohr 1 angeordneten Antriebseinheit 4 zusammen. Wenn die Spindel 3 als Gewindespindel ausgeführt ist, kann eine Verstellung sehr einfach über ein Drehen der Spindel 3 erfolgen. Die Teleskopbewegung dient der Längsverstellung der Lenksäulenanordnung, mit deren Hilfe der Fahrer die Position des Lenkrads an seine eigenen Bedürfnisse anpassen kann und trägt somit zum Komfort des Fahrers bei.
Durch eine Stoßeinwirkung auf die Lenksäule schiebt sich das innere Mantelrohr 2 durch eine Crashkraft F_C in das äußere Mantelrohr 1. Über die am inneren Mantelrohr 2 befestigte Spindel 3 wird die Crashkraft F_C auf die Antriebseinheit 4 übertragen, deren nicht dargestellte Halterungen so dimensioniert sind, daß sie ab einer bestimmten Kraft aus ihren Anbindungen reißen, wonach sich die Antriebseinheit 4 entlang der Mantelrohrachsen verschiebt und eine Relativbewegung zum Mantelrohr 1 ausübt.
Die Lenksäulenanordnung ist mit einem in 2 dargestellten Crashelement 5 versehen. Dieses Crashelement 5 weist ein Umformelement 6 und zwei Niederhalter in Form von Walzen 7, 7' auf, die relativ zum äußeren Mantelrohr 1 fest angeordnet sind. Die Walzen 7, 7' sind rechts und links neben dem Umformelement 6 angeordnet. Sowohl das Umformelement 6 als auch die Walzen 7, 7' sind als Zylinder ausgebildet. Ihre Drehachsen A, A', B sind parallel zueinander ausgerichtet, wobei die Drehachse B des Umformelements 6 unterhalb der beiden Drehachsen A, A' der Walzen 7, 7' angeordnet ist. Die Drehachsen A, A', B bilden ein Dreieck. Das Umformelement 6 ist exzentrisch drehbar gelagert. Die Walzen 7, 7' sind ebenfalls drehbar, jedoch nicht exzentrisch, gelagert. Bei einer Änderung der Ausrichtung des Umformelements 6 ändert sich aufgrund der exzentrischen Lagerung der Abstand zwischen Drehachse B und einem oberen Scheitelpunkt 6a des Umformelements 6.
Desweiteren umfaßt das Crashelement 5 ein Energieabsorptionselement 8 in Form eines Drahts 8. Es ist auch denkbar einen Blechstreifen mit einem rechteckigen Querschnitt als Energieabsorptionselement 8 zu verwenden. Der Draht 8 wird an dem Umformelement 6 und den Walzen 7, 7' vorbeigeführt. In der Darstellung gemäß 2 beginnt der Verlauf des Drahts 8 auf dem Niveau eines unteren Scheitelpunkts 7a der Walze 7, geht zwischen der Walze 7 und dem Umformelement 6 hindurch nach oben, verläuft über den Scheitelpunkt 6a des Umformelements 6 an dem Umformelement 6 entlang und geht zwischen dem Umformelement 6 und der Walze 7' nach unten hindurch bis zu einem unteren Scheitelpunkt 7a' der Walze 7'. Die beiden Drahtenden 8a, 8b verlaufen rechts und links von den Walzen 7, 7' waagerecht auf dem Niveau der Scheitelpunkte 7a, 7a'. Im Falle eines Crashs, schiebt sich das innere Mantelrohr 2 in das äußere Mantelrohr 1 und am Drahtende 8b greift durch die Relativbewegung der beiden Mantelrohre 1, 2 bzw. daran befestigter Elemente eine aus der Crashkraft F_C resultierende Zugkraft F_Z an. Der Draht 8 bewegt sich dadurch relativ zu dem Umformelement 6 und den Walzen 7, 7' und wird, während er an dem Umformelement 6 und den Walzen 7, 7' vorbeigeführt wird, verformt. Diese Verformung stellt für die Zugkraft F_Z einen Widerstand dar. Dadurch wird Aufprallenergie absorbiert.
In einer Ausgangsposition (durchgezogene Linie des Umformelements 6) hat der obere Scheitelpunkt 6a des Umformelements 6 einen Abstand a zur Drehachse B des Umformelements 6. Der Draht 8 wird in dieser Position minimal umgelenkt. Wird das Umformelement 6 um seine Drehachse B gedreht (gestrichelte Linien des Umformelements 6) so vergrößert sich der Abstand zwischen der Drehachse B und dem Scheitelpunkt 6a des Umformelements 6 bis zu einem Abstand b. Der Abstand b ist der maximal mögliche Abstand und stellt eine Endposition dar. In dieser Endposition wird der Draht 8 maximal verformt. Der Grad der Verformung läßt sich auch anhand eines Umschlingungswinkels α des Drahts 8 an dem Umformelement 6 erfassen. In der Ausgangsposition ist der Umschlingungswinkel α am geringsten und somit ist auch die Verformung des Drahts 8 minimal. Je größer der Abstand zwischen der Drehachse B und dem oberen Scheitelpunkt 6a des Umformelements 6 desto größer wird der Umschlingungswinkel α des Drahts 8 an dem Umformelement 6 und die Verformung des Drahts 8. In der Endposition ist der Umschlingungswinkel α maximal.
In der Ausgangsposition erfährt der Draht 8 eine maximale Verformung und setzt der Zugkraft F_Z einen maximalen Widerstand entgegen. Dadurch wird maximale Energie absorbiert. In der Endposition erfährt der Draht 8 eine minimale Verformung.
Der Zugkraft F_Z wird ein minimaler Widerstand entgegengesetzt. Dabei wird minimale Energie absorbiert.
Bei der Verformung des Drahts 8 treten aufgrund der Zugkraft F_Z eine Reaktionskraft F_R und ein Reaktionsmoment M_R an dem Umformelement 6 auf.
In 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Crashelements 5 dargestellt. Entsprechend dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel sind bei dem Crashelement 5 ein Umformelement 6 und zwei Niederhalter vorgesehen. Das Umformelement 6 ist als Zylinder ausgebildet. Als Niederhalter sind in diesem Ausführungsbeispiel Backen 10, 10' vorgesehen. Die Backen 10, 10' weisen jeweils eine waagerechte Unterkante und eine senkrechte innere Seitenkante auf. Die Backen 10, 10' sind Teile der Lenksäulenanordnung und somit relativ zum äußeren Mantelrohr 1 fest angeordnet. Die Unterkante ist auf einer Höhe mit der Drehachse B des Umformelements 6 angeordnet.
Desweiteren umfaßt das in 3 dargestellte Crashelement 5 ein Energieabsorptionselement 8 in Form eines Drahts 8, welcher ebenso, wie in 2 beschrieben, um das Umformelement 6 und die Backen 10, 10' herumgeführt ist, wobei die Unterkanten der Backen 10, 10' in dieser Ausführungsform den unteren Scheitelpunkten 7a, 7a' der Walzen 7, 7' in 2 entsprechen. Führt das Energieabsorptionselement 8 im Falle eines Crashs eine Relativbewegung zu den Backen 10, 10' durch, so tritt zwischen dem Energieabsorptionselement 8 und den Backen 10, 10' Reibung auf, da die Backen 10, 10' nicht drehbar gelagert sind.
In 4 ist eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform eines Crashelements 5 dargestellt. Das Crashelement 5 umfaßt wiederum ein Umformelement 6 und zwei Niederhalter, die wie in den 2 und 3 beschrieben, angeordnet sind. Die Ausrichtung des Umformelements 6 ist über einen Motor 9 einstellbar, der gleichzeitig als Lagerung des Umformelements 6 dient. Das Umformelement 6 weist einen zur Drehachse asymmetrischen Querschnitt auf, welcher im Zusammenhang mit dem in 5 dargestellten Ausführungsbeispiel näher erläutert ist.
Desweiteren umfaßt das in 4 dargestellte Crashelement 5 ein Energieabsorptionselement 8 in Form eines Blechstreifens B. Ein Draht mit einem kreisförmigen Querschnitt ist ebenfalls denkbar. Der Blechstreifen 8 ist, wie in den 2 und 3 beschrieben, um die Niederhalter, beispielsweise Walzen 7, 7', und um das Umformelement 6 geführt.
In 5 sind zwei Ansichten des Umformelements 6 dargestellt. Das in 5a dargestellte Umformelement 6 ist im wesentlichen zylinderförmig und umfaßt zwei Endabschnitte 11a, 11c und einen mittleren Abschnitt 11b. Die Abschnitte 11a, 11b, 11c haben jeweils einen kreisförmigen Querschnitt. Der Querschnitt des mittleren Abschnitts 11b ist gegenüber den Querschnitten der Endabschnitte 11a, 11c versetzt, so daß die Drehachse B des Umformelements 6 exzentrisch gelagert ist. In 5b ist ebenfalls ein im wesentlichen zylindrisches Umformelement 6 mit einem kreisförmigen Querschnitt dargestellt. Das Umformelement 6 weist wiederum drei Abschnitte 11a, 11b, 11c auf. Die Endabschnitte 11a, 11c haben einen kreisförmigen Querschnitt. Der mittlere Abschnitt 11b weist zusätzlich zu einem kreisförmigen Querschnitt eine Unwucht auf. Ein in 5c dargestelltes Umformelement 6 ist zylinderförmig mit drei Abschnitten 11a, 11b, 11c. Die Oberfläche des Umformelements 6 ist in dem mittleren Abschnitt 11b rauh, wobei die Rauhigkeiten radial über den Umfang unterschiedlich stark ausgebildet sind. Es ist auch denkbar, daß sich die Rauhigkeit über die gesamte Oberfläche des Umformelements 6 erstreckt. Auf der Oberfläche des Umformelements 6 verlaufen parallel zu der Drehachse B des Umformelements 6 Rillen mit unterschiedlicher Breite und Tiefe. Die Rauhigkeit nimmt von einem Minimalwert radial über den Umfang bis zu einem Maximalwert zu und anschließend wieder bis zu dem Minimalwert ab. Es ist auch denkbar, daß die Rauhigkeit von einem Minimalwert stetig bis zu einem Maximalwert zunimmt und dann ein Sprung von dem Maximalwert zu dem Minimalwert erfolgt.
Wie aus den 6a, b hervorgeht, weist das Umformelement 6 des erfindungsgemäßen Crashelements 5 an einem Ende eine Verzahnung 13 auf. Die gleiche Verzahnung 13 befindet sich im Gehäuseteil 12 in einem bei einem Unfall zu erwartenden Kontaktbereich zwischen Umformelement 6 und Gehäuseteil 12. Im Normalbetrieb ist das Umformelement 6 im Gehäuseteil 12 frei drehbar angeordnet. Die Änderung der Ausrichtung des Umformelements 6 erfolgt über einen in 4 dargestellten Motor 9. Im Falle eines Crashs treten aufgrund der Verformung des Blechstreifens 8 – wie in 3 dargestellt – die Reaktionskraft F_R und das Reaktionsmoment M_R an dem Umformelement 6 auf, die zu einer Änderung der Position des Umformelements 6 führen. Durch diese Positionsänderung greift die Verzahnung 13 des Umformelements 6 in die Verzahnung 13 des Gehäuseteils 12 ein und stellt so eine formschlüssige Verbindung zwischen dem Umformelement 6 und dem Gehäuseteil 12 her. Dadurch werden die im Crashfall auftretende Reaktionskraft F_R und das Reaktionsmoment R_M direkt vom Blechstreifen 8 über das Umformelement 6 in das Gehäuseteil 12 eingeleitet und müssen nicht von dem Motor 9 aufgefangen werden.

Claims

Lenksäulenanordnung für ein Kraftfahrzeug, welche bei einer Stoßeinwirkung unter Energieaufnahme verkürzbar ist, mit – einem an einer Karosserie befestigten teleskopierbaren Mantelrohr, – einem drehbar gelagerten Umformelement und – einem durch das Umformelement umgelenkten Energieabsorptionselement, welches sich bei einer Stoßeinwirkung relativ zu dem Umformelement bewegt, dabei verformt und der Stoßeinwirkung einen durch eine Drehung des Umformelements veränderbaren Widerstand entgegenstellt, dadurch gekennzeichnet, dass das Umformelement (6) über seinen radialen Umfang eine Oberfläche mit unterschiedlichen Rauhigkeiten aufweist.
Lenksäulenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Umformelement (6) einen kreisförmigen Querschnitt aufweist.
Lenksäulenanordnung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwei relativ zum äußeren Mantelrohr (1) feste Niederhalter (7, 7') vorgesehen sind, wobei das Umformelement (6) zwischen den Niederhaltern (7, 7') angeordnet ist.
Lenksäulenanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Umformelement (6) exzentrisch gelagert ist.
Lenksäulenanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Umformelement (6) einen zu einer Drehachse asymmetrischen Querschnitt aufweist.
Lenksäulenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass dem Umformelement (6) eine Verriegelung (10) zugeordnet ist.
Lenksäulenanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verriegelung (10) eine Verzahnung ist.