-
Die
Erfindung betrifft eine Lenksäule
eines Kraftfahrzeuges, insbesondere eines Personenkraftwagens, mit
den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
-
Eine
Lenksäule
dieser Art ist beispielsweise aus der
DE 199 01 300 C1 bekannt und weist ein äußeres Mantelrohr
auf, das bezüglich
einer Fahrzeugkarosserie drehfest und axial fest angeordnet ist.
Des weiteren ist ein inneres Mantelrohr vorgesehen, das in das äußere Mantelrohr
an einem einer Lenkhandhabe, z.B. Lenkhandrad zugewandten Ende eintaucht
und bezüglich
des äußeren Mantelrohrs
drehfest und axial verstellbar angeordnet ist. Eine Lenkspindel
ist an einem Ende mit der Lenkhandhabe drehfest verbunden und taucht
in das innere Mantelrohr an einem der Lenkhandhabe zugewandten Ende ein.
Bezüglich
des inneren Mantelrohrs ist die Lenkspindel axial fest und drehbar
angeordnet. Außerdem ist
eine Ausgangswelle vorgesehen, die in das äußere Mantelrohr und in die
Lenkspindel jeweils an einem der Lenkhandhabe abgewandten Ende eintaucht
und bezüglich
der Lenkspindel drehfest und axial verstellbar und bezüglich des äußeren Mantelrohrs
axial fest und drehbar angeordnet ist. Um bei einer derartigen Lenksäule eine
Längsverstellbarkeit der
Lenkhandhabe relativ zur Fahrzeugkarosserie zu realisieren, ist
die Ausgangswelle relativ zur Lenkspindel innerhalb eines axialen
Verstellbereiches axial verstellbar gelagert.
-
Aus
der
US 6 019 391 A ist
eine Lenksäule für ein Kraftfahrzeug
bekannt, bei der ein Mantelrohr mittels einer Halterung drehfest
und axial fest bezüglich
der Fahrzeugkarosserie fixiert ist. Im Inneren dieses Mantelrohrs
ist eine Lenkspindel drehbar gelagert. Diese Lenkspindel ist dabei
zweiteilig aus einem massiven Wellenteil und aus einem hohlen Hülsenteil aufgebaut,
wobei das Hülsenteil
das Wellenteil teleskopisch überlappt.
Die beiden Bestandteile der Lenkspindel sind mittels Kunststoffbolzen
miteinander drehfest und axial fest verbunden. Mit dem Hülsenteil der
Lenkspindel ist ein Lenkhandrad drehfest verbunden.
-
Die
bekannte Lenksäule
besitzt außerdem Mittel
zur Durchführung
einer Höhenverstellung
des Lenkhandrades, die eine Schwenkverstellung der Lenksäule um eine
quer zur Fahrzeuglängsrichtung verlaufende
Horizontalsachse ermöglichen.
-
Bei
einem Aufprall eines Fahrzeuginsassen auf das Lenkhandrad gibt einerseits
die Halterung des Mantelrohrs nach, so daß das Mantelrohr in axialer
Richtung verstellbar ist. Zu diesem Zweck sind entsprechende Längsführungsmittel
vorgesehen. Zum anderen geben bei einem derartigen Aufprall die Kunststoffbolzen
nach und ermöglichen
eine teleskopische Verstellung des Hülsenteils relativ zum Wellenteil.
Dementsprechend kann das Lenkhandrad in Aufprallrichtung nachgeben.
Darüber
hinaus können Mittel
zur Energieabsorption vorgesehen sein, die zwischen dem Mantelrohr
und der Fahrzeugkarosserie angeordnet sind und dem Aufprall des
Fahrzeuginsassen Energie entziehen. Mit der bekannten Lenksäule kann
somit eine Verletzungsgefahr im Falle eines Unfalls reduziert werden.
-
Die
EP 0 612 651 B1 zeigt
einen Stellantrieb mit einem Axialgetriebe zum Lenken eines vier
lenkbare Räder
aufweisenden Fahrzeugs. Dabei weist dieser Stellantrieb einen als
Hohlwellenmotor ausgebildeten Elektromotor auf, dessen Rotor über eine axial
lagegesicherte Spindelmutter an eine konzentrische, axial verschiebliche
Verstellstange mit einem korrespondierenden Spindelteil gekoppelt
ist. Der so gebildete Servomotor dient zur axialen Verstellung der
Verstellstange relativ zum Rotor des Elektromotors.
-
Die
vorliegende Erfindung beschäftigt
sich mit dem Problem, für
eine Lenksäule
der eingangs genannten Art eine Ausführungsform anzugeben, die insbesondere
im Crashfall eine erhöhte
Sicherheit gewährleistet.
-
Dieses
Problem wird erfindungsgemäß durch
eine Lenksäule
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
-
Die
Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, für die axiale Verstellbarkeit
der Lenkspindel relativ zur Ausgangswelle für den Crashfall einen Notverstellbereich
bereitzustellen, der über
einen Einstellbereich hinausgeht, der im Normalbetrieb zur Längenverstellung
des Lenkhandrads zur Verfügung
steht. Durch diese Maßnahme
braucht sich die Lenksäule
hinsichtlich der Längsverstellbarkeit
der Lenkhandhabe im Normalbetrieb nicht von einer herkömmlichen
Lenksäule
zu unterscheiden. Lediglich im Crashfall steht ein zusätzlicher
Verstellweg zur Verfügung,
in dem die Lenkhandhabe nachgeben kann. Dieser durch den Notverstellbereich
ausgebildete zusätzliche
Verstellweg steht dabei unabhängig von
der jeweils eingestellten Längsposition
der Lenkhandhabe stets zur Verfügung.
Insbesondere steht dieser zusätzliche
Verstellweg auch dann zur Verfügung,
wenn die Lenkhandhabe im Rahmen des Einstellbereichs in ihre vorderste
Position eingestellt ist.
-
Da
die Lenkhandhabe im Crashfall nachgeben kann, wird eine Verletzungsgefahr
des darauf aufprallenden Fahrzeuginsassen reduziert, wodurch sich
die Fahrzeugsicherheit erhöht.
-
Die
Abgrenzung zwischen Einstellbereich und Notverstellbereich erfolgt
durch Begrenzungsmittel, die im Normalbetrieb die Einstellbarkeit
der Lenkspindel relativ zur Ausgangswelle auf den Einstellbereich
begrenzen. Auf diese Weise wird gewährleistet, daß im Normalbetrieb
die Lenkhandhabe nur innerhalb des Einstellbereiches verstellt werden kann,
so daß sicher
der Notverstellbereich zur Verfügung
steht.
-
Die
Abgrenzung zwischen Einstellbereich und Notverstellbereich kann
zusätzlich
durch eine entsprechende, an der Lenksäule sichtbar angebrachte Markierung
gebildet sein, die der Fahrzeugführer
bei der Längsverstellung
der Lenkhandhabe beachten muß.
-
Vorzugsweise
können
diese Begrenzungsmittel durch Anschlagmittel gebildet sein, die
ab einer vorbestimmten axialen Belastung nachgeben und eine Verstellung
auch innerhalb des Notverstellbereiches ermöglichen. Beispielsweise ist
ein solcher Anschlag im Verstellweg der Lenkspindel angeordnet, derart,
daß er
von der Lenkspindel nur dann mitgenommen werden kann, wenn eine
vorbestimmte Reibungskraft überwunden
ist. Ebenso können
die Anschlagmittel auch so ausgebildet sein, daß sie nur unter Zerstörung nachgeben.
Beispielsweise können die
Anschlagmittel dazu eine Sollbruchstelle aufweisen.
-
Bei
einer besonderen Ausführungsform
kann die Ausgangswelle drehfest mit einem hülsenförmigen Mitnehmer verbunden
sein, der sich koaxial zur Ausgangswelle erstreckt und den Hubbereich
zwischen Ausgangswelle und Lenkspindel zumindest teilweise axial überlappt,
wobei Mittel zur Erzeugung eines Drehmoments vorgesehen sind, die
mit diesem Mitnehmer zusammenwirken. Bei dieser Bauweise wird die
axiale Länge
der Lenksäule
durch den Einbau des Mitnehmers nur geringfügig verlängert, wobei dieser Mitnehmer
die Einleitung von Drehmomenten in die Ausgangswelle ermöglicht.
Die kurze Baulänge
wird dadurch gewährleistet,
daß die
Lenkspindel zumindest beim maximalen Einfahrhub an einem der Lenkhandhabe
zugewandten Ende des Mitnehmers in diesen eintaucht. Eine relativ
geringe axiale Länge
der Lenksäule
verbessert deren Crashsicherheit, insbesondere bei Steer-by-wire-Lenksystemen.
-
Ein
besonderer Vorteil dieser Ausführungsform
wird darin gesehen, daß zwischen
der Lenkhandhabe und den Drehmomenterzeugungsmitteln Drehmomente übertragen
werden können,
ohne daß dazu
die axiale Baulänge
der Lenksäule
wesentlich vergrößert werden
muß. Derartige
Drehmomenterzeugungsmittel können
beispielsweise als Servomotor und/oder als Handkraftsteller dienen.
Ein Servomotor bewirkt dabei in bekannter Weise wie bei einer herkömmlichen
Servolenkung eine Unterstützung der
Lenkbetätigung
an der Lenkhandhabe. Im Unterschied dazu dient ein Handkraftsteller
bei einer Steer-by-wire-Lenkung zur Erzeugung von Rückstellmomenten
oder Lenkwiderständen,
die einer Lenkbetätigung
an der Lenkhandhabe entgegenwirken. Derartige Servomotoren und Handkraftsteller
sind an sich bekannt und müssen
daher nicht näher
beschrieben werden.
-
Eine
besonders vorteilhafte Ausführungsform
ergibt sich dann, wenn die Drehmomenterzeugungsmittel einen Elektromotor
aufweisen, der als Hohlwellenmotor ausgebildet ist, dessen Rotor
durch den Mitnehmer gebildet ist. Hierbei wird eine besonders kompakt
bauende Einheit aus Lenksäule
und damit antriebsverbundenem Elektromotor gebildet, wobei aufgrund
der Anordnung des Mitnehmers bzw. Rotors eine geringe axiale Länge für die Lenksäule gewährleistet
ist.
-
Eine
weitere Verbesserung wird darin gesehen, daß ein Gehäuse, das den Stator des Elektromotors
aufnimmt, durch einen Axialabschnitt des äußeren Mantelrohres gebildet
ist. Auf diese Weise ergibt sich eine kompakte Integration des Elektromotors
in die Lenksäule.
Die bauliche Einheit aus Lenksäule
mit integriertem Elektromotor wird dadurch verstärkt.
-
Vorzugsweise
kann dann der Hohlwellenmotor und das mit dem Gehäuse ausgestattete äußere Mantelrohr
eine Baueinheit bilden, die anstelle eines nicht mit dem Hohlwellenmotor
ausgestatteten äußeren Mantelrohrs
an der Lenksäule
montierbar ist, wobei die Ausgangswelle zur Anbindung des Mitnehmers
adaptiert ist. Durch diese Maßnahmen
wird ein Lenksäulen-System bereitgestellt,
das in einer Grundausstattungsvariante keinen Hohlwellenmotor aufweist.
Zur Realisierung einer Sonderausstattungsvariante wird innerhalb
der Serienmontage dann anstelle eines äußeren Mantelrohrs ohne Hohlwellenmotor
die vorgeschlagene Baueinheit aus Hohlwellenmotor und äußerem Mantelrohr
montiert. Die davon betroffenen Anschlüsse der Lenksäule, insbesondere
an der Ausgangswelle, sind dabei so adaptiert, daß zur Ausbildung
dieser beiden Varianten lediglich ein äußeres Mantelrohr ohne Hohlwellenmotor
gegen ein äußeren Mantelrohr
mit Hohlwellenmotor ausgetauscht werden muß. Dieses Baukastenprinzip
ermöglicht
unter anderem die gleichzeitige Herstellung unterschiedlicher Lenksysteme
bei relativ geringen Zusatzkosten. Beispielsweise kann ein herkömmliches
Lenksystem eine Lenksäule
aufweisen, die ohne Hohlwellenmotor auskommt. Ein anderes Lenksystem,
z.B. ein Steer-by-wire-Lenksystem, wird mit einer Lenksäule ausgestattet,
die einen Hohlwellenmotor besitzt. Auf diese Weise können mehrere
prinzipiell unterschiedliche Lenksysteme hergestellt werden, wobei
eine Vielzahl der Komponenten der Lenksäulen bei beiden Lenksystemen identisch
verwendbar sind.
-
Weitere
wichtige Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich
aus den Unteransprüchen,
aus der Zeichnung und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand
der Zeichnung.
-
Es
versteht sich, daß die
vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale
nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in
anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne
den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
-
Ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden
Beschreibung näher
erläutert.
-
Die
einzige 1 zeigt einen unterbrochenen
Längsschnitt
durch eine erfindungsgemäße Lenksäule.
-
Entsprechend 1 weist
eine erfindungsgemäße Lenksäule 1 ein äußeren Mantelrohr 2 auf, das
mit einem Lager 3 an einer Konsole 4 um eine senkrecht
zur Zeichnungsebene verlaufende Schwenkachse 5 schwenkbar
gelagert ist. Die Konsole 4 ist ihrerseits bei 6 an
einer nicht dargestellten Fahrzeugkarosserie befestigt. Das äußere Mantelrohr 2 ist
somit drehfest und axial fest angeordnet, wobei jedoch Schwenkbewegungen
um die Schwenkachse 5 möglich
sind. Die Lenksäule 1 kann zu
diesem Zweck mit herkömmlichen
und daher nicht dargestellten Höhenverstellmitteln
ausgestattet sein, die eine Schwenkverstellung des äußeren Mantelrohrs 2 um
seine Schwenkachse 5 sowie die Einstellung einer gewünschten
Relativposition ermöglichen. Durch
diese Maßnahme
kann eine hier nicht dargestellte Lenkhandhabe, z.B. Lenkhandrad,
in ihrer Höhe
relativ zur Fahrzeugkarosserie verstellt werden.
-
Im
Inneren des äußeren Mantelrohrs 2 ist
koaxial dazu ein inneres Mantelrohr 7 untergebracht, wobei
das innere Mantelrohr 7 an einem der Lenkhandhabe zugewandten
Ende 8 des äußeren Mantelrohrs 2 in
das äußere Mantelrohr 2 eintaucht.
Das innere Mantelrohr 7 ist am äußeren Mantelrohr 2 drehfest
und axial verstellbar gelagert. Die drehfeste Verstellbarkeit wird
hier beispielsweise durch einen im inneren Mantelrohr 7 ausgebildeten
Axialschlitz 9 realisiert, in dem ein am äußeren Mantelrohr 2 befestigter,
radial nach innen vorstehender Führungszapfen 10 eindringt.
Mit dem inneren Mantelrohr 7 können, beispielsweise bei 11,
herkömmliche
und daher nicht dargestellte Längsverstellmittel
zusammenwirken, die eine Verstellung und Einstellung der Lenkhandhabe
in Längsrichtung
der Lenksäule
ermöglichen.
-
Im
Inneren des inneren Mantelrohrs 7 ist koaxial dazu eine
Lenkspindel 12 angeordnet, die an einem, der Lenkhandhabe zugewandten
Ende 13 mit der Lenkhandhabe drehfest verbunden ist. Die
Lenkspindel 12 taucht dabei in ein der Lenkhandhabe zugewandtes
Ende 14 des inneren Mantelrohrs 7 ein und ist
darin axial fest und drehbar gelagert. Zu diesem Zweck sind beispielsweise
Lager 15 und 16 vorgesehen. Die Lenkspindel 12 ragt über ein
von der Lenkhandhabe abgewandtes Ende 17 des inneren Mantelrohrs 7 axial
hinaus.
-
An
einem von der Lenkhandhabe abgewandten Ende 18 der Lenkspindel 12 taucht
in diese, koaxial dazu eine Ausgangswelle 19 ein, wobei
Ausgangswelle 19 und Lenkspindel 12 relativ zueinander drehfest
und axial verstellbar angeordnet sind. Diese Kopplung wird hier
durch eine Axial- oder
Längsverzahnung 20 erreicht.
Außerdem
ist die Ausgangswelle 19 bezüglich des äußeren Mantelrohrs 2 axial
fest und drehbar gelagert. Diese Kopplung wird hier durch ein Lager 21 erreicht,
das in einem Deckel 22 ausgebildet ist, der ein von der
Lenkhandhabe abgewandtes Ende 23 des äußeren Mantelrohrs 2 bildet.
Die Ausgangswelle 19 ist hier z.B. über ein kardanisches Kreuzgelenk 24 an
weitere Bestandteile eines im übrigen
nicht dargestellten Lenkstranges angebunden. Ein derartiges Kreuzgelenk 24 kann
jedoch beispielsweise bei einer reinen Steer-by-wire-Lenkung entfallen.
-
Die
Lenksäule 1 besitzt
einen axialen Verstellbereich 25, innerhalb dem axiale
Relativverstellungen zwischen der Ausgangswelle 19 und
der Lenkspindel 12 möglich
sind. Zur Veranschaulichung ist dieser axiale Verstellbereich 25 in
einem Freiraum 26 eingezeichnet, der zwischen dem von der
Lenkhandhabe abgewandten Ende 18 der Lenkspindel 12 und
dem von der Lenkhandhabe abgewandten Ende 23 des äußeren Mantelrohrs 2 ausgebildet
ist. Dieser Freiraum 26 ist dabei von der Ausgangswelle 19 konzentrisch
durchdrungen und bildet gleichzeitig eine Begrenzung des Verstellbereichs 25.
-
Erfindungsgemäß ist der
Verstellbereich 25 in einen Einstellbereich 27 und
einen sich daran anschließenden Notverstellbereich 28 aufgeteilt.
Diese Abgrenzung der beiden Teilbereiche, nämlich Einstellbereich 27 und
Notverstellbereich 28 wird zweckmäßig durch Begrenzungsmittel
erreicht, die beispielsweise durch Endanschläge od.dgl. gebildet sind. Beispielsweise
kann ein solcher Anschlag zwischen dem Führungsbolzen 10 und
dem Axialschlitz 9 ausgebildet sein. Ebenso kann das der
Lenkhandhabe zugewandte Ende 8 des äußeren Mantelrohrs 2 mit
einem am inneren Mantelrohr 7 außen aufgesetzten Ring 29 einen
solchen Anschlag ausbilden. Bei einer Lenksäule 1, die mit einem
Stellantrieb für
die Längsverstellung
der Lenkhandhabe ausgestattet ist, kann dieser Stellantrieb elektronisch
oder mechanisch für
den Normalbetrieb des Fahrzeuges auf den Einstellbereich 27 begrenzt
sein.
-
Für den Normalbetrieb
des Fahrzeuges kann somit lediglich der Einstellbereich 27 vollständig ausgenutzt
werden, um die Lenkhandhabe bezüglich
der Längsrichtung
der Lenksäule 1 zu
justieren. Beispielsweise beträgt
dieser Einstellbereich 27 ± 30 mm.
-
Für den Crashfall
ist die Lenksäule 1 so
ausgebildet, daß zusätzlich zu
einem gegebenenfalls verbleibenden Teil des Einstellbereichs 27 außerdem eine
Verstellung im Notverstellbereich 28 möglich ist. Dadurch kann die
Ausgangswelle 19 noch tiefer in die Lenkspindel 12 eindringen,
so daß die
Lenkhandhabe nachgeben kann. Beispielsweise beträgt dieser Notverstellbereich
100 mm.
-
Um
eine Verstellung im Crashfall innerhalb des Notverstellbereichs
zu ermöglichen,
müssen
die gegebenenfalls vorhandenen Begrenzungsmittel oder Anschläge so ausgebildet
sein, daß sie
bei vorbestimmten Werten für
auf die Lenkhandhabe einwirkende Kräfte nachgeben oder überwunden
werden. Zu diesem Zweck kann beispielsweise der Ring 29 über ein
nachgiebiges Kunststoffelement 30 mit dem inneren Mantelrohr 7 verbunden
sein. Dieses Kunststoffelement 30 kann die axial feste
Verbindung zwischen Ring 29 und inneren Mantelrohr 7 bei
Erreichen vorbestimmter axialer Kräfte nicht mehr aufrechterhalten
und gibt nach. Dementsprechend kann sich dann der äußere Ring 29 relativ
zum inneren Mantelrohr 7 verstellen.
-
Um
die Fahrzeugsicherheit zusätzlich
zu erhöhen,
können
außerdem
zusätzliche,
nicht gezeigte Dämpfungsmittel
und/oder Federungsmittel vorgesehen sein, die zumindest im Notverstellbereich
einem Einfahrhub zwischen Ausgangswelle 19 und Lenkspindel 12 dämpfend bzw.
federnd entgegenwirken. Derartige Dämpfungsmittel bzw. Federungsmittel können beispielsweise
im Freiraum 26 untergebracht sein.
-
Bei
der hier dargestellten bevorzugten Ausführungsform ist mit der Ausgangswelle
ein Mitnehmer 31 drehfest verbunden. Dieser Mitnehmer 31 ist hülsenförmig ausgebildet
und erstreckt sich koaxial zur Ausgangswelle 19 und überlappt
dabei in axialer Richtung vollständig
den Verstellbereich 25. Dementsprechend tauchen die Lenkspindel 12 und
das inneren Mantelrohr 7 in ein der Lenkhandhabe zugewandtes
Ende 32 dieses Mitnehmers 31 ein.
-
In
der hier dargestellten bevorzugten Ausführungsform bildet der Mitnehmer 31 einen
Rotor eines Hohlwellenmotors 33, der koaxial zur Ausgangswelle 19 angeordnet
ist. Dieser Rotor oder Mitnehmer 31 ist an seinen Enden 32 und 34 mit
entsprechenden Lagern 35 gelagert. Ein diesem Hohlwellenmotor 33 zugewandter
axialer Abschnitt 36 des äußeren Mantelrohrs 2 bildet
dabei ein Gehäuse
für diesen Hohlwellenmotor 33.
In diesem Gehäuse
bzw. Axialabschnitt 36 ist beispielsweise ein Stator 37 des Hohlwellenmotors 33 untergebracht.
Des weiteren können
zusätzlich
Winkelsensoren 38 und 39 im Gehäuse 36 untergebracht
sein, mit deren Hilfe beispielsweise die Relativlage des Mitnehmers 31 und somit
der Ausgangswelle 19 relativ zum äußeren Mantelrohr 2 detektierbar
ist. Ebenso können
die übertragenen
Momente sensiert werden.
-
Bei
der hier gezeigten Ausführungsform
ist das äußere Mantelrohr 2 so
konzipiert, daß es
zusammen mit dem Hohlwellenmotor 33 eine bauliche Einheit
bilden kann, die komplett im Rahmen der Serienfertigung in die Lenksäule 1 eingebaut
werden kann. Es ist klar, daß weitere
Komponenten oder Zusatzaggregate dieses Hohlwellenmotors 33 ebenfalls im
Gehäuse 36 untergebracht
werden können.
Beispielsweise kann der Hohlwellenmotor 33 mit einem Getriebe
ausgestattet sein.
-
Der
Mitnehmer 31 bzw. der Rotor des Hohlwellenmotors 33 kann
so ausgebildet bzw. so mit der Ausgangswelle 19 gekoppelt
sein, daß der
Mitnehmer 31 zwar torsionssteif, jedoch bezüglich der Längsachse
flexibel ausgebildet ist, um beispielsweise Toleranzen auszugleichen.
Außerdem
kann dadurch die Montage vereinfacht werden. Die momentübertragende
Kopplung zwischen Mitnehmer 31 und Ausgangswelle 19 kann
beispielsweise durch Gummielemente 40 realisiert sein,
um beispielsweise die Flexibilität
des Mitnehmers 31 bezüglich
der Längsachse
der Ausgangswelle 19 zu erreichen. Ebenso kann zur drehmomentübertragenden
Kopplung zwischen Ausgangswelle 19 und Mitnehmer 31 eine Blattfederkupplung
oder eine Verzahnung mit balligen und/oder elastischen Zähnen, insbesondere
aus Kunststoff, realisiert sein.