DE3710173A1 - Kraftfahrzeuglenkung mit einem lenkrad mit integrierter aufprallschutzvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kraftfahrzeuglenkung mit einem Lenkrad mit integrierter Aufprallschutzvorrichtung gemäß Oberbegriff des Patent­ anspruches 1.

Bei Kraftfahrzeuglenkrädern stellt sich aufgrund der starren Kopplung der daran angeschlossenen Lenksäule mit anderen karosseriefesten Funktionseinheiten stets das Problem, daß zumindest in gewissen Geschwindigkeitsbereichen ein mehr oder weniger stark ausgeprägtes "Lenkradzittern" festzustellen ist, welches den Fahrkomfort bisweilen sehr nachhaltig beeinträchtigt. Wie Versuche ergeben haben, ist dieses Lenkradzittern bei Kraftfahrzeuglenkrädern mit integrierter Aufprallschutzvorrichtung in besonders ausgeprägter Weise anzu­ treffen.

Ursächlich für diese Erscheinung ist u. a. eine gewisse Unwucht an der Hinter­ achse. Die Wirkung ist dann am größten, wenn die Unwucht an beiden Hinter­ rädern gleich ist, das heißt in die gleiche Richtung zeigt (gleichphasig). Normalerweise tritt dies nur zeitweilig auf, da in der Regel die Räder nie exakt den gleichen Umfang haben, so daß eine geringfügige Drehzahldifferenz die Folge ist. Grundsätzlich kann gesagt werden, daß das Lenkradzittern auch vom Fahrzeugtyp abhängig ist, da ebenso Querbeschleunigungen eine maßgeb­ liche Rolle spielen. In diesem Falle ist die Größtwirkung bei gegenphasiger Unwucht der Hinterräder festzustellen.

Stets ist es jedoch so, daß es kritische Geschwindigkeitsbereiche gibt, in denen dieses Lenkradzittern bezüglich Frequenz und/oder Amplitude besonders ausgeprägt und dabei besonders störend ist.

Im Bestreben, dieser Erscheinung abzuhelfen, wurden bereits verschiedene Maßnahmen getroffen (beispielsweise Steifigkeitserhöhungen im Bereich der Lagerung der Lenksäule selbst und der Anbindung an das Lenkrad), die aber allesamt nicht den erhofften Erfolg gebracht haben. Häufig war dabei die Folge, daß der Resonanzbereich der Lenkradschwingungen in einen anderen Fahrzeug-Geschwindigkeitsbereich verlegt wurde, unter gleichzeitiger Erhöhung der Schwingungsamplitude.

Somit liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine geeignete Maßnahme aufzuzeigen, durch die das beschriebene Lenkradzittern beseitigt, zumindest jedoch beträchtlich eingeschränkt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß unter Verwendung einer gattungsgemäßen Kraftfahrzeuglenkung gelöst, die die kennzeichnenden Merkmale des Patentan­ spruches 1 aufweist.

Die vorteilhafte Wirkung dieser Maßnahme wurde bereits anhand von Versuchen in überzeugender Weise bestätigt. So senkt die gedämpft schwimmende Lagerung des Gehäuses für die Aufprallschutzvorrichtung die Schwingungsamplituden des Lenkrades erheblich ab. Durch eine entsprechend abgestimmte Auslegung der Schersteifigkeit der die gedämpft schwimmende Lagerung bewirkenden Ele­ mente in Richtung quer zur Lenksäulen-Längsachse kann die Resonanzfrequenz des Gehäuses für die Aufprallschutzvorrichtung auf einen Geschwindigkeits­ bereich abgestimmt werden, bei dem noch keine großen Amplituden an der Fahr­ zeugkarosserie auftreten (beispielsweise 120 km/h). Bei höheren Fahrgeschwin­ digkeiten ist das Gehäuse dann "überkritisch" und wirkt wie eine zusätzliche Versteifung des Lenkrades.

Durch die gedämpft schwimmende Lagerung wird die erste Eigenfrequenz des Systems Lenkrad/Gehäuse so niedrig abgestimmt, daß sie in einem Geschwindig­ keitsbereich zu liegen kommt, in dem noch keine hohen Anregungsamplituden auftreten.

Zusätzlich vorgesehene, zur Lenkradachse symmetrisch angeordnete Federelemente mit relativ geringer Federsteifigkeit sollen bei Geradeausstellung des Lenk­ rades das Eigengewicht der Aufprallschutzvorrichtung kompensieren und so die Mittenstellung in den die schwimmende Lagerung gewährleistenden Lagern sicherstellen.

Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispieles beschrieben und in der Zeichnung dargestellt. Diese zeigt dabei im einzelnen in

Fig. 1 eine schematisierte Darstellung (Draufsicht) der Kraftfahrzeug­ lenkung mit der schwimmend gelagerten Aufprallschutzvor­ richtung,

Fig. 2 ein konstruktives Ausführungsbeispiel für eine schwimmende Lagerung,

Fig. 3 eine Seitenansicht der Darstellung nach Fig. 2 (von der Lenksäule her betrachtet),

Fig. 4 ein Diagramm zur Darstellung des Schwingungsverhaltens der erfindungsgemäßen Kraftfahrzeuglenkung in Vergleich zum Stand der Technik und

Fig. 5 ein weiteres Diagramm zur Verdeutlichung der prinzipiellen Wirkung der schwimmenden Lagerung der Aufprallschutzvorrichtung

Fig. 1 zeigt in einer schematisierten Darstellung ein auf eine Nabe (1) aufgesetztes und daran befestigtes Lenkrad (2) mit integrierter Aufprall­ schutzvorrichtung (3). Die von der Nabe (1) ausgehenden, nach außen gerichte­ ten Speichen (4) münden in einen Lenkradkranz (5). Die Aufprallschutzvor­ richtung (3) besteht im wesentlichen aus einem sich bei einer bestimmten Fahrzeugverzögerung selbsttätig aufblasenden Gaskissen, welches mit einem Gasgenerator gekoppelt ist, der einen gaserzeugenden, bei einer bestimmten Fahrzeugverzögerung zündenden Brennsatz enthält.

Sämtliche vorgenannten, im Detail nicht näher dargestellten Funktionselemente der Aufprallschutzvorrichtung (3) sind zweckmäßigerweise zu einer Baueinheit zusammengefaßt und in einem entsprechenden Gehäuse (6) untergebracht. Dieses ist vorzugsweise innerhalb des Lenkradkranzes (5) und dabei ebenfalls in etwa zentrisch zur Lenksäulen-Längsachse (7) der Kraftfahrzeuglenkung angeord­ net.

Das Gehäuse (6) der Aufprallschutzvorrichtung (3) wird von den Speichen (4) des Lenkrades (2) an vier, vorzugsweise symmetrisch zu den Lenkradmitten­ linien (8, 9) angeordneten Lagerstellen (10) gedämpft schwimmend gehalten. Eine Ausführungsform einer solchen Lagerstelle (10) ist in den Fig. 2 und 3 näher dargestellt. Weitere, ebenfalls symmetrisch angeordnete Lager­ stellen (13) dienen dem Zweck, einen Gewichtsausgleich für die Aufprall­ schutzvorrichtung (3) herbeizuführen.

Zu beiden Seiten des Gehäuses (6) ist an dieses ein in etwa t-förmig ausgestal­ teter Haltebügel (14) angesetzt und daran beispielsweise mittels Befestigungs­ schrauben (15) befestigt. Seine jeweils nach oben und unten auskragenden Arme (16) weisen im Bereich ihrer Enden eine Bohrung (17) auf, in die eine, mit beidseitigen flanschähnlichen Anlageflächen (12, 18) versehene Lagerbuchse (19) eingesetzt ist. Sie besteht dabei vorzugsweise aus einem Werkstoff, der unter anderem auch geräuschdämpfende Eigenschaften besitzt.

Durch die Lagerbuchse (19) hindurch ragt der Schaft einer Halteschraube (20), deren unteres Ende (22) mit einem Gewinde versehen ist und so mit einem damit korrespondierenden, an der Speiche (4) vorgesehenen Aufnahmegewinde zusammenwirkt. Die Unterseite des Schraubenkopfes (23) kommt dabei mit einer der bereits vorbeschriebenen Anlageflächen (18) der Lagerbuchse (19) in Kontakt und legt sich an diese an. Diese Endstellung wird durch eine Druck­ feder (24) bestimmt, die sich an der gegenüberliegenden Anlagefläche (12) sowie an einer geeignet gestalteten weiteren Anlagefläche (25) an der Speiche (4) abstützt.

Zwischen dem Innenquerschnitt D ₁ der Lagerbuchse (19) und dem Durchmesser D ₂ des Schaftes der Halteschraube (20) besteht eine Differenz von vorzugs­ weise 4-6 mm.

Durch entsprechende Bemessung der Druckfeder (24) in Kombination mit aufein­ ander abgestimmten Haft- bzw. Gleitreibungseigenschaften zwischen der Anlage­ fläche (18) der Lagerbuchse (19) und der Unterseite des Schraubenkopfes (23) kann eine bezüglich der Vertikalen schwimmende Lagerung mit gleichzeitiger Dämpfung erzielt werden. Die exakte Auslegung von Federsteifigkeit und Dämpfungs­ eigenschaften muß fahrzeugspezifischen Berechnungen und Versuchen vorbehalten bleiben, denen eine Reihe unterschiedlicher Parameter zugrundezulegen sind.

Dabei ist eine entsprechende Haft- bzw. Gleitreibungszahl der einen Anlagefläche (18) der Lagerbuchse (19) und der Unterseite des Schraubenkopfes (23) sowie zwischen der weiteren Anlagefläche (12) der Lager­ buchse (19) und der Druckfeder (24) maßgebend. Bei der Bemessung von oberer und unterer Druckfeder (24) ist außerdem das durch das Gehäuse (6) der Auf­ prallschutzvorrichtung (3) auf den Haltebügel (14) ausgeübte Kippmoment zu berücksichtigen.

Zur Bildung der Lagerstelle (10) sind an die Speichen (4) entsprechende Lagerstege (11) angeformt, die jeweils der Aufnahme der Halteschraube (20) sowie als Anlagefläche (25) für die Druckfeder (24) dienen.

Um die in Fig. 2 dargestellte mittige Positionierung der Halteschraube (20) innerhalb der Lagerbuchse (19) im Ruhezustand stets zu gewährleisten, sind Maßnahmen erforderlich, um das Eigengewicht der Aufprallschutzvorrichtung (3) zu kompensieren.

Hierzu dient die bereits eingangs erwähnte Lagerstelle (13), welche jeweils symmetrisch zur Lenkradmittenlinie (9) im linken und rechten äußeren Bereich der Aufprallschutzvorrichtung (3) angreift. Sie besteht aus einer entsprechend dimensionierten Zugfeder (26), welche mit ihrem jeweiligen oberen und unteren Ende in einen, an einer Speiche (4) bzw. an dem Haltebügel (14) angeformten Haken (27, 28) eingehängt ist. Damit soll im wesentlichen in der Gerade­ ausstellung des Lenkrades (2) das Eigengewicht der Aufprallschutzvorrichtung (3) kompensiert werden, so daß diese immer wieder in ihre mittige Ausgangs­ position zurückkehren kann.

Die sich aus den bereits erwähnten Reibungszahlen (μ _r , μ) ergebende Dämpfung muß so gering sein, daß das Gehäuse (6) bereits bei niedrigen Beschleunigungs­ amplituden am Lenkrad "schwimmt". Zusammen mit der Federkraft der Zugfeder (26) ergibt sich rechnerisch eine Resonanzfrequenz, die praktisch jedoch so stark gedämpft ist, daß sie zu keiner Überhöhung führt. Dies bedeutet, die Federn (24, 26) sind bezüglich ihrer Federsteifigkeit so weich zu halten, daß beim Überfahren von Unebenheiten usw. gerade noch kein Abheben an den Gleitflächen erfolgt (Klappergeräusche), andererseits darf die "Losbrechkraft" in Gleitrichtung nicht zu hoch werden.

Die Fig. 4 zeigt in einem Diagramm das Vibrationsverhalten verschieden ausgestalteter Kraftfahrzeuglenkungen. In Abhängigkeit von der Fahrtgeschwindig­ keit (V) ist dabei in der Ordinate die Beschleunigung am Lenkradkranz (Schwing­ beschleunigung b) aufgetragen. Es ist daraus eindeutig entnehmbar, daß eine gedämpft schwimmend gelagerte Aufprallschutzvorrichtung (auch Airbag genannt) selbst noch ein günstigeres Vibrationsverhalten zeigt, als beispielsweise eine serienmäßige Kraftfahrzeuglenkung ohne Aufprallschutzvorrichtung. Die eindeutig ungünstigsten Werte hinsichtlich des Vibrationsverhaltens sind bei einer Kraftfahrzeuglenkung zu verzeichnen, bei der die Aufprallschutz­ vorrichtung starr mit dem Lenkrad verbunden ist.

Fig. 5 zeigt in einem weiteren Diagramm die prinzipielle Wirkungsweise einer solchen schwimmenden Lagerung. Auch dort ist wieder die Fahrtgeschwindig­ keit (V) in Abhängigkeit von der Beschleunigung am Lenkradkranz (Schwingbe­ schleunigung b) dargestellt. Mit Hilfe der Schersteifigkeit der Lagerstelle (10) wird die erste Eigenfrequenz des Systems Lenkrad/Airbag so niedrig abgestimmt, daß sie in einen Geschwindigkeitsbereich zu liegen kommt, in dem noch keine hohen Anregungsamplituden auftreten. Außerdem ist die Dämpfung der Lagerung so groß, daß sowohl die erste als auch die zweite Resonanz zu keinen bedeutenden Amplitudenüberhöhungen führen.

Die Erfindung ist nicht auf die gezeigte Ausführungsform der gedämpft schwimmen­ den Lagerung beschränkt, da hierfür verschiedene Alternativen denkbar sind. So ist es beispielsweise nicht erforderlich, die Funktionen Steifigkeit, Dämpfung und Wegbegrenzung für die Bewegungen der Aufprallschutzvorrichtung allesamt in die Lagerstelle (10) zu integrieren. Grundsätzlich wäre auch denkbar und zu berücksichtigen, daß nicht alle Funktionselemente der Aufprall­ schutzvorrichtung in dem Gehäuse (6) untergebracht sind.

Claims (8)

1. Kraftfahrzeuglenkung mit einem Lenkrad mit integrierter Aufprallschutz­ vorrichtung, welche in einem innerhalb eines Lenkradkranzes angeordneten Gehäuse untergebracht ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (6) auf dem Lenkrad (2) gedämpft schwimmend gelagert ist, in der Weise, daß es gegenüber dem Lenkrad (2) in bezüglich der Lenksäulen-Längsachse (7) senkrechter Richtung relativ bewegbar ist.

2. Kraftfahrzeuglenkung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (6) gegenüber dem Lenkrad (2) auch in Richtung der Lenksäulen- Längsachse (7) bewegbar ist, wobei Federelemente (24) vorgesehen sind, die eine diesbezüglich definierte Zuordnung vorgeben und gleichzeitig die Dämpfung der schwimmenden Lagerung quer zur Lenksäulen-Längsachse (7) bewirken.

3. Kraftfahrzeuglenkung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Lagerung des Gehäuses (6) eine weitere, dessen Eigengewicht insbe­ sondere in Geradeausstellung des Lenkrades (2) kompensierende Einrichtung (26-28) vorgesehen ist.

4. Kraftfahrzeuglenkung nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das der Aufnahme der Aufprallschutzvorrichtung (3) dienende Gehäuse (6) von Speichen (4) des Lenkrades (2) an symmetrisch zu den Lenkradmitten­ linien (8, 9) angeordneten Lagerstellen (10) schwimmend gehalten ist und die der Eigengewichtskompensation dienenden weiteren Lagerstellen (13) ebenfalls symmetrisch zu einer Lenkradmittenlinie (9) angeordnet sind.

5. Kraftfahrzeuglenkung nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung einer Lagerstelle (10) ein dem Gehäuse (6) zugeordneter Haltebügel (14) eine Bohrung (17) aufweist, in die eine, mit beidseitigen flanschähnlichen Anlageflächen (12, 18) versehene Lagerbuchse (19) einge­ setzt ist, durch die ein Schaft einer Halteschraube (20) hindurchragt, die in eine Speiche (4) des Lenkrades (2) eingesetzt ist und mit der Unterseite ihres Schraubenkopfes (23) unter der Vorspannung einer Druck­ feder (24) an einer der Anlageflächen (18) der Lagerbuchse (19) zur Anlage kommt.

6. Kraftfahrzeuglenkung nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckfeder (24) sich an der gegenüberliegenden flanschähnlichen Anlage­ fläche (12) der Lagerbuchse (19) sowie an einer geeignet gestalteten weiteren Anlagefläche (25) an der Speiche (4) abstützt und daß zu beiden Seiten des Gehäuses (6) jeweils einer der in etwa t-förmig gestalteten Haltebügel (14) befestigt ist, dessen jeweils nach oben und unten aus­ kragenden Arme (16) im Bereich ihrer Enden die Bohrungen (17) aufweisen.

7. Kraftfahrzeuglenkung nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Innenquerschnitt der Lagerbuchse (19) und dem Durchmesser des Schaftes der Halteschraube (20) eine Differenz von 4-6 mm besteht.

8. Kraftfahrzeuglenkung nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Einrichtung zur Kompensation des Eigengewichtes des Gehäuses (6) eine entsprechend dimensionierte Zugfeder (26) vorgesehen ist, welche mit ihrem oberen und unteren Ende in einen, an einer Speiche (4) und an dem Haltebügel (14) angeformten Haken (27, 28) eingehängt ist.