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Sicherheitslenksäule für Kraftfahrzeuge
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Sicherheitslenksäule für Kraftfahrzeuge
gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
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Neben Sicherheitslenksäulen, die die geforderten Sicherheitsvorschriften
dadurch erfüllen, daß sie bei niedrigen Längslasten ausknicken oder brechen, sind
auch Sicherheitslenksäulen in Verwendung, bei denen die mit dem Steuerrad verbindbare
Antriebswelle und die mit dem Lenkgetriebe bzw. dem Lenkgestänge verbundene Abtriebswelle
winkelig zueinander angeordnet und mit zwei Kardangelenken miteinander verbunden
sind. Im Falle eines Aufpralles des Fahrzeuges auf ein Hindernis wirken auf den
oberen Teil der Lenksäule nur geringe Kräfte, da durch die beiden Gelenke eine Ausweichbewegung
des oberen Lenksäulenteils, das ist die Antriebswelle, ermöglicht wird, ohne daß
wesentliche Kräfte in axialer Richtung auf die Antriebswelle übertragen werden.
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In Einzelfällen wird für Sicherheitslenksäulen zudem eine nichtlineare
Torsionssteifigkeit gefordert derart, daß bei geringeren Torsionsmomenten eine geringe
Torsionssteifigkeit vorhanden ist, bei größeren Momenten die Torsionssteifigkeit
jedoch progressiv ansteigt. Diese Forderung kann realisiert werden, indem in die
gelenkige Verbindung zwischen Antriebs- und Abtriebswelle noch elastische Gummi
scheiben mit kompliziertem inneren Aufbau eingesetzt werden. Der Gesamtaufwand für
eine derartige Lösung ist durch die hohe Zahl von Einzelteilen, die teilweise selbst
relativ aufwendig sind, sehr hoch. So sind Kardangelenkemit jeweils vier Lagerzapfen
sowie die er-
wähnten komplizierten Gummischeiben notwendig. Außerdem
ist diese Lösung hinsichtlich des Gewichtes nicht optimal.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Sicherheitslenksäule
der in Rede stehenden Art anzugeben, bei der die Gelenkverbindung zwischen Antriebs-
und Abtriebswelle einfach und ohne großen Aufwand konstruiert ist und die gleichzeitig
eine Anpassung an die gewünschte Torsionssteifigkeit ermöglicht.
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Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden
Teil des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.
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Demgemäß ist wesentlicher Bestandteil einer Sicherheitslenksäule gemäß
der Erfindung ein aus Faserwerkstoffen gewickeltes, an der Mantelfläche geschlossenes
Wellrohre das entsprechend der Winkelstellung zwischen Antriebs-und Abtriebswelle
zwischen diesen gekrümmt verläuft, demnach eine gewisse Elastizität aufweist, und
dafs in dem gekrümmten Bereich vorzugsweise innerhalb eines Stützrohrs geführt ist.
Zwischen Wellrohr und Stützrohr verbleibt hierbei ein definiertes Spiel , dessen
Größe dadurch bestimmt wird, welche Anforderungen an die Torsionssteifigkeit in
Abhängigkeit des Lenkausschlages gefordert werden. Das in dem Stützrohr mit Spiel
geführte Wellrohr hat beim Angreifen von Drehmomenten, d.h. bei Lenkbewegungen die
Tendenz , seitlich auszuweichen und legt sich entsprechend der Größe des erwähnten
Spieles schließlich an das relativ steife Stützrohr an. Während der Phase, in der
das Wellrohr nicht an dem Stützrohr anliegt, ist die Torsionssteifigkeit relativ
klein, wohingegen nach dem Anlegen des Wellrohres an die Innenwand des Stützrohres
die Torsionssteifigkeit zunimmt, da jetzt die Torsionsmomente allein durch Wandstärke
und Wickelwinkel des Wellrohres
bestimmt werden.
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Das Wellrohr wird vorzugsweise aus Glasfasern wegen deren relativ
niedrigen Elastizitätsmoduls gefertigt. Das Stützrohr ist vorzugsweise ein Spritzgußteil.
Bei dem Wellrohr ist bei der Wickelung wie bei allen torsionsbelasteten Kreisringquerschnitten
eine Faserorientierung von + 45" zur Längsachse des Wellrohres optimal und auch
anzustreben. Jedoch können und müssen Abweichungen aus Fertigungsgründen in Kauf
genommen werden. Da der Querschnitt des Wellrohrs in den aufgeweiteten Bereichen
das größere Torsionswiderstandsmoment besitzt, ist es daher wichtiger, die Wickelfertigung
so zu steuern, daß zumindest in den eingeschnürten Bereichen, in der Regel den kleinsten
Kreisringquerschnitten des Wellrohres, die optimale Faserorientierung von + 450
möglichst exakt eingehalten wird.
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Vorzugsweise wird das Wellrohr so gestaltet, daß im Übergangsbereich
zwischen den aufgeweiteten und eingeschnürten Bereichen des Wellrohres die Tangente
im Wendepunkt des Längsschnittes einer Welle einen Winkel mit der Längsachse des
Wellrohres bildet, der möglichst nahe an 900 liegt. Praktikabel sind Winkel von
etwa 850. Dieser Winkel sollte jedoch größer als 600 sein. Durch eine solche Ausgestaltung
wirken die Übergangsbereiche zwischen aufgeweiteten und eingeschnürten Rohrbereichen
nach Art von Membranen, so daß bei einer Belastung senkrecht zu ihrer Ebene der
Verformungswiderstand in gewünschter Weise sehr klein wird.
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Zur Herstellung des Wellrohres können aufblasbare, teilbare oder auswaschbare
bzw. ausschmelzbare Kerne verwendet werden. Eine weitere Möglichkeit besteht darin,
die aufgeweiteten und eingeschnürten Bereiche des Wellrohres nach Art eines Gewindeganges
auszubilden, so daß ein entsprechend schraubenförmiger Innendorn nach Aushärten
des
Wellrohres herausgeschraubt werden kann. Das Wellrohr ist hier
selbstverständlich elastisch, so daß es der Krümmung der Gelenkverbindung innerhalb
des Stützrohres folgen kann.
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Damit bei einem Aufprallunfall die Sicherheitslenksäule sich definiert
verformen kann, sind noch vorzugsweise innerhalb des Stützrohres Sollbruchstellen
für einen Knickbruch angeordnet. Falls das Stützrohr bei einem Aufprall des Kraftfahrzeuges
abknickt und bricht, so kann das Wellrohr diesem Abknicken in jedem Falle folgen
und bricht selbst, insbesondere dann, wenn das Wellrohr aus Glasfasern gefertigt
ist.
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Mit einem Wellrohr aus faserverstärkten Werkstoffen mit definierter
Faserorientierung, welches in einem Stützrohr mit definiertem Spiel geführt ist,
können Antrieb und Abtrieb einer Lenksäule verbunden werden, wenn deren Achsen einen
beträchtlichen Winkel , z.B. bis zu 350 bilden und die Lenksäule eine nicht lineare
Torsionssteifigkeit besitzen muß. Außerdem hat die Sicherheitslenksäule gemäß der
Erfindung ein erheblich geringeres Gewicht als bekannte Lenksäulen und kann aufgrund
der wenigen Einzelteile kostengünstig hergestellt werden.
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Weitere Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen
hervor.
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Die Erfindung ist in Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung näher
erläutert. In der Zeichnung stellen dar: Figur 1 schematisch eine Sicherheitslenksäule
gemäß der Erfindung mit einer zwischen Antriebs- und Abtriebswelle angeordneten
Gelenkverbindung aus einem Wellrohr und einem dieses umhüllenden
Stützrohr;
Figur 2 einen Querschnitt durch die Gelenkverbindung aus Wellrohr und Stützrohr;
Figur 3 eine schematische Darstellung der Torsionssteifigkeit der Sicherheitslenksäule
gemäß der Erfindung, aufgetragen über denn Verdrehwinkel; Figur 4 einen Teilquerschnitt
durch das Wellrohr; Figur 5 einen Teilquerschnitt durch ein modifiziertes Wellrohr
für eine Sicherheitslenksäule gemäß der Erfindung.
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In Figur 1 ist eine Sicherheitslenksäule für ein Kraftfahrzeug schematisch
dargestellt, welche ein Lenkrad 2 aufweist, das mit einer Steuersäule 3 verbunden
ist, die als Antriebswelle dient. Die Antriebswelle 3 ist an ihrem freien Ende mit
einem Wellrohr 4 verbunden, das an seinem anderen Ende über ein Kardangelenk 5 mit
einer nur angedeuteten Abtriebswelle 6 verbunden ist, die in das nicht gezeigte
Lenkgetriebe führt.
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Die Mittellängsachse 7 des Wellrohres 4 verläuft gekrümmt, so daß
die Achsen von Antriebswelle 3 und Abtriebswelle 6 winkelig zueinander sind. Der
Winkel ist z.B. 350.
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Das Wellrohr 4 ist mit der Antriebswelle 3 z.B. mit einer inneren
Kerbverzahnung und einem Zwischenstück verbunden.
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Das in Figur 1 gezeigte Kardangelenk 5 kann gegebenenfalls entfallen,
wobei dann das Ende des Wellrohres 4 über eine Kerbverzahnung und eine Klemmung
von außen an die Abtriebswelle des Lenkgetriebes angeschlossen ist.
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Das Wellrohr 4 ist , wie auch aus Figur 2 hervorgeht, in einem Stützrohr
8 mit einem kleinen Spiel d zwischen Außenwand des Wellrohres und Innenwandung des
Stützrohres gelagert. Dieses Stützrohr 8 umhüllt das Wellrohr über dessen gesamte
Länge und ist an seinen beiden Enden mit Teilen des Kraftfahrzeugrahmens befestigt.
In Figur 2 ist für diese Befestigung auf seiten des Lenkgetriebes eine Vertiefung
9 gezeigt, in die ein rahmenfester Gelenkzapfen eingreifen kann. Die Befestigung
auf seiten der Antriebswelle erfolgt in gleicher Art. Das Hüllrohr 9 ist z.B.
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ein Spritzgußteil, wobei sich als Werkstoff Polyamid eignet, das gegebenenfalls
mit Fasern verstärkt ist. Das Hüllrohr 8 weist über seine Länge noch eine oder mehrere
Sollbruchstellen 10 auf, die bei einem Aufprall des Kraftfahrzeuges auf ein Hindernis
durch das Zusammenschieben des Kraftfahrzeugrahmens einen Knickbruch des Stützrohres
8 ermöglichen.
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Das Wellrohr 4 ist ein Wickelteil aus Glasfasern und Harz, das auf
einer üblichen Wickelmaschine um einen rotationssymmetrischen Kern gewickelt wird
und nach Aushärten des faserverstärkten Werkstoffes und Entfernen des Kernes in
das gekrümmte Stützrohr 8 eingeschoben wird. Wandstärke und Wickelwinkel g des Wellrohres
werden so berechnet, daß das Wellrohr dem gekrümmten Verlauf des Stützrohres 8 elastisch
folgen kann. Das Wellrohr 4 weist abwechselnd wulstförmige aufgeweitete Bereiche
11 und eingeschnürte Bereiche 12 auf. Der Wickelvorgang wird so gesteuert, daß entsprechend
der gewünschten Torsionssteifigkeit der Wikkelwinkel, zumindest in den eingeschnürten
Bereichen + 450 ist, die Wandstärke des Wellrohres wird so gewählt, daß hierbei
die gewünschte Torsionssteifigkeit des Wellrohres 4 erreicht wird. In den aufgeweiteten
Bereichen 11 ergeben sich dadurch nicht immer die für die Torsion optimalen Wickelwinkel
von + 450, was jedoch unschädlich
ist, da der größere Kreisringquerschnitt
des Wellrohres in diesen aufgeweiteten Bereichen 11 ein größeres Torsionswiderstandsmoment
besitzt und dort trotz nicht optimaler Wickelwinkel von + 450 die gewünschte Torsionssteifigkeit
immer erreicht werden kann. Die Wand des Wellrohrs im Übergangsbereich zwischen
den aufgeweiteten und eingeschnürten Bereichen 11 bzw. 12 wird dabei so gelegt,
daß die Tangente an die Wand im Wendepunkt P einen möglichst nahe an 900 liegenden
Winkel oC gegenüber der Mittelachse 7 des Wellrohres einnimmt. In Figur 4 ist dieser
Winkel ct etwa 850. Die Wahl dieses Winkels hängt davon ab, wie biegeweich das Wellrohr
4 sein soll und nach welcher Kennlinie das Drehmoment zwischen Antriebs- und Abtriebswelle
3 bzw. 6 übertragen werden soll.
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Aus Figur 2 ist die Lage des Wellrohres 4 innerhalb des Stützrohres
8 ersichtlich. Das Wellrohr 4 liegt an den Anschluß seiten zu der Antriebswelle
3 und zu der Abtriebswelle 6 mit seinem Außenumfang jeweils direkt an der Innenwandung
des Stützrohres 8 an. Der Durchmesser des Wellrohres 4 und des Stützrohres 8 sind
nun so bemessen, daß sich zwischen diesen Anlagebereichen in Richtung auf die Mitte
des Stützrohres 8 das vorher erwähnte geringe Spiel d progressiv einstellt, so daß
dieses Spiel d etwa in der Mitte des Stützrohres je nach der gewünschten Torsionsübertragung
in der Ruhelage der Sicherheitslenksäule d.h. beim Lenkausschlag Null , einen definierten
Wert einnimmt. Dieser Wert wurde in Praxisversuchen auf etwa einen Millimeter eingestellt,
wie dieses auch in Figur 2 dargestellt ist.
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Bei einer Drehung des Lenkrades 2 aus der Null-Lage weicht das Wellrohr
aus der in Figur 2 gezeigten Ruhelage seitlich aus und legt sich mit seinen aufgeweiteten
Bereichen 11 sukzessive an die Innenwand des Stützrohres
8 an,
bis es nach einer bestimmten Drehbewegung mit einer Seite vollständig an der Innenwandung
des Stützrohres 8 anliegt. Die Torsionssteifheit des Wellrohres 4 wird zunächst
durch das seitliche Ausweichen nur relativ gering sein und steigt entsprechend der
sukzessiven Anlage progressiv , bis bei vollständiger Anlage des Wellrohres 4 an
der Innenwandung des Stützrohres 8 die Torsionssteifheit im wesentlichen durch Wickelwinkel
& und Wandstärke des Wellrohres bestimmt werden. In Figur 3 ist die Kennlinie
der Sicherheitslenksäule bei Torsionsbelastung mit einem Torsionsmoment M in Abhängigkeit
der Verdrehung der Lenksäule dargestellt. Es ergeben sich zwei Kennlinien M-r bzw.
M-l für die Rechts- bzw. Linksdrehung. Die Kennlinie ist hysteresebehaftet, wie
für den geforderten Anwendungsfall gewünscht. Diese Kennlinie kann durch die Biegeweichheit,
durch die Wickeltechnik und durch den Verlauf des Spieles d zwischen Wellrohr und
Stützrohr eingestellt werden. Wenn z.B. das Spiel d in der Ruhelage der Lenksäule
über die gesamte Länge des Stützrohres 8 konstant eingestellt wird, dann würde die
Kennlinie des Torsionsmomentes zu beiden Seiten des Nullpunktes etwa waagrecht verlaufen
und erst dann progressiv ansteigen bzw. progressiv abfallen.
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In Figur 5 ist ein Wellrohr 4' für eine Sicherheitslenksäule dargestellt,
das ebenfalls aus faserverstärkten Werkstoffen gewickelt ist. Das Wellrohr 4' wird
um einen Wickelkern 13' gewickelt, der an seinem Außenumfang einen Gewindegang aufweist.
Die aufgeweiteten Bereiche 11' und die eingeschnürten Bereiche 12' des Wickelrohres
greifen in diesen Gewindegang ein, so daß nach Beendigung des Wikkelvorganges und
Aushärten des Wellrohres 4' der Innenkern 13' aus dem Wellrohr herausgeschraubt
werden kann. Das Wellrohr kann dann in gekrümmter Lage zwischen der Antriebswelle
3' und der Abtriebswelle 6' eingespannt wer-
den. Der Anschluß
an die Antriebswelle 3' erfolgt über ein Zwischenstück 14' und Kerbverzahnungen
15' an der Antriebswelle 3' und dem Wellrohr 4'. An die Abtriebswelle 6' des Lenkgetriebes
wird das Wellrohr 4' über eine Kerbverzahnung 16' und eine Klemmung 17' angeschlossen.
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Bei entsprechender Ausbildung des Wellrohres 4' hinsichtlich der Biegeweichheit
und der Torsionssteifigkeit kann dieses allein als Gelenkverbindung zwischen Antriebs-
und Abtriebswelle verwendet werden. Der Tangentenwinkel oC' der Tangente im Wendepunkt
P' zwischen den aufgeweiteten und eingeschnürten Bereichen 11' bzw. 12' gegenüber
der Wellrohrlängsachse 7' wird so gewählt, daß sich die gewünschte Biegeweichheit
mit der erforderlichen Torsionssteifigkeit einstellt. Dieser Winkel oc' liegt zwischen
60 und 800.
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Ein zusätzliches Stützrohr , wie durch das Bezugszeichen 8' angedeutet,
ist bei entsprechender Bemessung der Wandstärke, des Wickelwinkels und des Tangentenwinkels
Ct' des Hüllrohres 4' nicht notwendig, kann jedoch vorgesehen werden, wenn eine
Torsionskennlinie für die Sicherheitslenksäule entsprechend Figur 3 gewünscht wird.
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