-
Die
Erfindung betrifft eine Lenksäule
für ein Kraftfahrzeug,
die mit einem Instrumententräger
wenigstens mittelbar verbunden ist. Der Anordnung aus Lenksäule und
Instrumententräger
ist ein aktives System zur Schwingungsdämpfung zugeordnet, bei der
Piezoelemente im Anbindungsbereich zwischen den A-Säulen und
dem Tragprofil des Instrumententrägers sowie im Anbindungsbereich
von Lenksäule und
Tragprofil vorgesehen sind.
-
In
der nicht vorveröffentlichten
DE 102 26 477 A1 wird
eine Lenksäule
beschrieben, die in einem mit der Karosserie verbundenen Haltemittel
geführt
ist und einen piezoelektrischen Aktuator aufweist. Der Aktuator
ist in einem Bereich zwischen Lenkrad und nächstliegendem Haltemittel der
Karosserie angeordnet. Ein Sensor ist zur Erfassung von Vibrationen
oberhalb des piezokeramischen Aktuators an der Struktur zur Anordnung
Lenksäule/Lenkrad
angeordnet. Es soll eine deutliche Schwingungsreduzierung der Anordnung
Lenksäule/Lenkrad
in einem Frequenzband störender
Vibrationen erzielt werden.
-
Die
DE 100 55 114 C2 betrifft
eine Lenkeinrichtung für
ein Fahrzeug, welche insbesondere in der Höhe und/oder Länge verstellbar
ist und welche ein erstes Teil, das mit einem Fahrzeugaufbau verbunden
ist, und ein zweites Teil, das mit dem ersten Teil verbunden ist,
aufweist, wobei beide Teile zueinander verschieblich in den Fahrzeug
angeordnet sind. Ein Verklemmen der beiden Teile erfolgt zumindest
teilweise mittels einer durch wenigstens einen piezoelektrischen
Aktuator aktivierten Klemmeinrichtung. Auf diese Weise soll eine
höhen-
und/oder längenverstellbare
Lenkeinrichtung bereitgestellt werden, bei welcher es mit geringem
Kraftaufwand möglich
ist, die zueinander verstellbaren Elemente zu verklemmen. Des Weiteren
zählt durch
die WO 02/08045 A1 eine Steuerungsanordnung eines Kraftfahrzeugs
zum Stand der Technik, bei welcher die Lenksäule mit aktiven Dämpfungselementen
versehen ist.
-
Im
Umfang der
DE 101
12 738 C1 ist ein Instrumententräger bekannt mit einem aktiven
System zur Schwingungsdämpfung.
Hierbei sind Piezoelemente im Anbindungsbereich zwischen den A-Säulen und
dem Tragprofil des Instrumententrägers sowie im Anbindungsbereich
der Lenksäule
am Tragprofil positioniert. Bei Auftreten einer Schwingung des Instrumententrägers im
Fahrbetrieb wird diese sensorisch erfasst und durch eine aktiv erzeugte Kompensationsschwingung
gedämpft.
Dieser Vorschlag ist innovativ und trägt zu einer deutlichen Verbesserung
des Fahrverhaltens und des Fahrkomforts bei.
-
Der
Erfindung liegt – ausgehend
vom Stand der Technik – die
Aufgabe zugrunde, eine Lenksäule aufzuzeigen,
die eine weitere Verbesserung der Schwingungsdämpfung an einem Kraftfahrzeug,
insbesondere im Instrumententafelbereich, ermöglicht.
-
Die
Lösung
dieser Aufgabe besteht nach der Erfindung in einer Lenksäule gemäß den Merkmalen von
Anspruch 1.
-
Erfindungsgemäß ist die
Lenksäule
geteilt, wobei die beiden Lenksäulenabschnitte
durch einen Dämpfungskörper unter
Eingliederung von Piezoelementen gekoppelt sind.
-
Erfindungsindividualisierend
ist der Dämpfungskörper in
der Lenksäule.
Durch die integrierten Piezoelemente kann eingeleiteten Schwingungen
aktiv entgegen gewirkt werden. Insbesondere können Schwingungen in der Längsachse
der Lenksäule
und damit auch in Längsachse
des Kraftfahrzeugs (X-Richtung) sowie Drehschwingungen mittels der Piezoelemente
aktiv gedämpft
werden. Da im Fahrbetrieb der überwiegende
Teil der auftretenden Schwingungen über die Lenksäule eingeleitet
und auf die Instrumententafel übertragen
wird, ist eine Schwingungsdämpfung
innerhalb der Lenksäule, also
am Ort der Entstehung bzw. Weiterleitung der Schwingungen besonders
effektiv. Hier kann die Schwingungsdämpfung in technisch vorteilhafter Weise
mit dem geringstmöglichen
Energieaufwand erreicht werden.
-
In
Kombination mit den am Instrumententräger positionierten Piezoelementen
kann eine Dämpfung
von Schwingungen in allen Raumrichtungen (X-, Y-, Z-Richtung) sowie eine
Dämpfung
der Drehschwingungen erfolgen. Für
eine Kompensation von Schwingungen in Längsrichtung des Instrumententrägers (Y-Richtung)
und in Vertikalrichtung (Z-Richtung) sind Piezoelemente im Anbindungsbereich
der Lenksäule
am Tragprofil des Instrumententrägers positioniert.
Ferner sind Piezoelemente im Anbindungsbereich zwischen den A-Säulen und dem Tragprofil vorgesehen,
wodurch ebenfalls eine Schwingungsdämpfung in Y-Richtung vorgenommen
werden kann. Da erfindungsgemäß auch eine
Regelung der Schwingungen in Lenksäulenrichtung (X-Richtung) und
eine Rotationsschwingungsregelung in Drehrichtung des Lenkrads möglich ist,
kann die Gesamtbelastung im Kraftfahrzeug deutlich reduziert werden. Insbesondere
Schwingungen durch Fahrwerksanregungen oder Motoranregungen werden
nahezu vollständig
aufgehoben. Dies führt
zu einer Steigerung des Fahrverhaltens und -omforts. Auch können diverse
Bauteile, beispielsweise das Tragprofil des Instrumententrägers, aber
auch Anbauteile und Halterungen konstruktiv einfacher und gewichtsmäßig leichter ausgelegt
werden. Des Weiteren kann die bislang übliche Überdimensionierung von Karosseriebauteilen, um
der Schwingungsbelastung entgegenzuwirken, schwächer ausfallen. Zudem können Versteifungsmaßnahmen
der Karosserie zumindest teilweise entfallen.
-
Nach
den Merkmalen von Anspruch 2 weist der Dämpfungskörper zwei Kopplungshälften auf, zwischen
die in Längsrichtung
der Lenksäule
wirksame Piezoelemente und in Umfangsrichtung der Lenksäule wirksame
Piezoelemente eingegliedert sind.
-
In
dieser Ausgestaltung wird eine besonders effektive Schwingungskompensation
erreicht. Die Weiterleitung des Körperschalls wird gezielt in
der Lenksäule
unterbrochen. Die Wirkung der Piezoelemente ist dort am effektivsten.
Die im Dämpfungskörper angeordneten
Piezoelemente gewährleisten
ein schnelles Ansprechen auf die generierten Steuersignale und eine
aktive Schwingungskompensation.
-
Für die Regelung
von Schwingungen in Lenksäulenrichtung
(X-Richtung) und die Rotationsschwingungsregelung in Drehrichtung
des Lenkrades werden die Piezoelemente kombiniert im Dämpfungskörper untergebracht.
Der Dämpfungskörper sitzt
zwischen dem oberen und dem unteren Lenksäulenabschnitt.
-
Er
ist konstruktiv so ausgelegt, dass eine zuverlässige Kopplung der Lenksäulenabschnitte
sichergestellt ist und eine Beeinträchtigung des Lenkungsvermögens nicht
erfolgt. Der hochfrequente Schwingungsanteil sowohl in Längsrichtung
der Lenksäule
als auch der hochfrequente Anteil der Rotationsschwingungen werden über die
Piezoelemente nahe am Ort ihres Entstehens und damit sehr effektiv
weggeregelt bzw. aktiv kompensiert.
-
Für die Messung
der eingeleiteten Schwingungen in allen Raumrichtungen ebenso wie
die der Drehschwingungen sind Sensoren vorgesehen. Diese sind mit
einem Regler verknüpft,
der mit den Piezoelementen zusammenwirkt, wie die Anspruch 3 vorsieht.
-
Mittels
eines entsprechenden Regelalgorhytmusses, in dem eine Auswertung
der erfassten Daten unter Berücksichtigung
von hinterlegten Sollwerten erfolgt, wird dann eine aktive Schwingungsregelung
vorgenommen. Die über
die Sensoren erfassten Daten werden an den Regler weitergeleitet.
Der Regler sendet jeweils abgestimmt auf die einzelnen Piezoelemente
ein phasenverschobenes Signal an diese. Die Piezoelemente schwingen
infolge der Anregung durch den Regler und wirken dem eingeleiteten Körperschall
entgegen, wodurch eine Kompensation der unerwünschten Schwingungen erfolgt.
-
Vorzugsweise
kommen Piezoelemente in Form von piezokeramischen Stapelaktuatoren
zur Anwendung. Bei den Stapelaktuatoren erfolgt eine Umsetzung von
elektrischer Energie in mechanische Energie ohne bewegte Bauteile.
Dies gewährleistet eine
sehr schnelle Reaktion sowie eine lange Lebensdauer der Bauteile.
Das Prinzip der Stapelaktuatoren beruht darauf, dass die hierin
eingebetteten Kristalle ihre Form unter dem Einfluss eines elektrischen
Felds ändern.
Dies ermöglicht
eine aktive Anregung der Aktuatoren über den Regler und die Erzeugung
einer Gegen- bzw. Kompensationsschwingung zwischen den jeweiligen
Bauteilen. Für
die Praxis sehr gute Eigenschaften bringen beispielsweise Stapelaktuatoren
aus Blei-Zirkulat- Titanat-Mischkeramiken
mit sich. Diese besitzen eine hohe elektromechanische Aktivität, das heißt sie haben
ein großes
relatives Längen-/Dickenänderungsvermögen bei
Anlegung einer elektrischen Spannung.
-
Die
Erfindung ist nachfolgend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten
Ausführungsbeispiels
näher beschrieben.
Es zeigen:
-
1 in einer Seitenansicht
technisch stark vereinfacht eine Lenksäule;
-
2 ebenfalls technisch stark
vereinfacht eine Ansicht auf einen Instrumententräge;
-
3 einen Querschnitt durch
den Dämpfungskörper gemäß der 1 und
-
4 einen Schnitt durch die
Darstellung der 3 entlang
der Linie A-A.
-
In
der 1 ist eine Lenksäule 1 für ein Kraftfahrzeug
dargestellt. Die Lenksäule 1 ist
mit einem Instrumententräger 2 mittelbar über eine
obere Lenksäulenbefestigung 3 und
eine untere Lenksäulenbefestigung 4 verbunden.
Die Lenksäule 1 ist
geteilt ausgeführt
und weist einen oberen Lenksäulenabschnitt 5 und
einen unteren Lenksäulenabschnitt 6 auf,
die durch einen Dämpfungskörper 7 gekoppelt sind.
Das Lenkrad ist in der 1 mit 8 gekennzeichnet.
-
Wie
anhand der 2 zu erkennen,
erstreckt sich der Instrumententräger 2 im Kraftfahrzeug
zwischen den hier nur andeutungsweise dargestellten A-Säulen 9, 10 der
Kraftfahrzeugkarosserie quer zur Fahrtrichtung. Der Instrumententräger 2 umfasst
ein hohles Tragprofil 11, das die Instrumententafel trägt und zur
Halterung bzw. Befestigung verschiedener Fahrzeugkomponenten, wie
Heizungs- oder Klimaanlage, Airbag, Mittelkonsole, Sicherungskasten
oder Handschuhfach dient. Exemplarisch ist in der 2 eine Airgbag-Halterung 12 sowie
ein Klimaanlagenmodul 13 dargestellt.
-
Dem
Tragprofil 11 ist ein aktives System zur Schwingungsdämpfung zugeordnet.
Hierzu sind keramische Piezoelemente 14–21 am Tragprofil 11 appliziert,
die mit einem Regler 22 zusammenwirken. Man erkennt, dass
Piezoelemente 14–17 im
Anbindungsbereich 23 zwischen den A-Säulen 9, 10 und dem
Tragprofil 11 positioniert sind. Ferner sind die Piezoelemente 18–21 im
Anbindungsbereich 24 der Lenksäule 1 am Tragprofil 11 vorgesehen,
welche ebenfalls mit dem Regler 22 in Wirkverbindung stehen.
-
Das
aktive System zur Schwingungsdämpfung
umfasst ferner Piezoelemente 25–28, die in den Dämpfungskörper 7 eingegliedert
sind, der in die Lenksäule 1 integriert
ist.
-
Wie
insbesondere anhand der 3 und 4 zu erkennen, weist der
Dämpfungskörper 7 zwei Kopplungshälften 29, 30 auf,
zwischen die in Längsrichtung
LX der Lenksäule 1 wirksamen Piezoelemente 25, 26 und
die in Umfangsrichtung U der Lenksäule 1 wirksame Piezoelemente 27, 28 eingegliedert sind.
-
Zum
aktiv wirkenden System zur Schwingungsdämpfung gehören des Weiteren diverse Sensoren 31–37,
von denen in der 2 exemplarisch zwei
Sensoren 31, 32 dargestellt sind. Die Sensoren 31, 32 dienen
zur Erfassung von Schwingungen in den Raumrichtungen Y und Z, also
in Längsrichtung des
Instrumententrägers 2 und
vertikal hierzu. Ferner sind Sensoren 33–37 im
Dämpfungskörper 7 angeordnet.
Die Sensoren 33 und 34 dienen zur Erfassung von
Rotationsschwingungen (ϕ), wohingegen die Sensoren 35–37 Schwingungen
detektieren, die in Längsrichtung
LX der Lenksäule 1 auftreten. Auch die
Sensoren 31–37 sind
mit dem Regler 22 verknüpft.
Durch die im Fahrbetrieb auftretenden Schwingungen werden entsprechende
Signale generiert und zum Regler 22 übertragen.
-
Der
Regler 22 wertet die Daten im Vergleich zu hinterlegten
Sollwerten aus und sendet zum aktiven Eingriff ein phasenverschobenes
Signal an die Piezoelemente 14–17; 18–21 bzw. 25–28.
Die Piezoelemente 14–17; 18–21; 25–28 schwingen
infolge der Anregung durch den Regler 22 und wirken so
dem eingeleiteten Körperschall
entgegen. Hierdurch wird eine Kompensation der Schwingungen erreicht.
Die auf die Karosserie übertragenen
Schwingungen werden unterbunden, zumindest jedoch deutlich reduziert.
-
Durch
die Kombination der am Instrumententräger 2 positionierten
Piezoelementen 14–17; 18–21 mit
den in der Lenksäule 1 bzw.
im Dämpfungskörper 7 integrierten
Piezoelementen 25–28 kann
eine Dämpfung
von Schwingungen in allen Raumrichtungen (X-, Y-, Z-Richtung) sowie
eine Dämpfung
der Drehschwingungen (ϕ-Richtung) erfolgen. Für die Kompensation
von Schwingungen in Längsrichtung des
Instrumententrägers
(Y-Richtung) dienen die Piezoelemente 18–21 im
Anbindungsbereich 24 der Lenksäule 1 am Tragprofil 11 des
Instrumententrägers 2 sowie
die Piezoelemente 14–17 zwischen
den A-Säulen 9, 10 und
dem Tragprofil 11. Über
die Piezoelemente 14–17 kann
ferner Schwingungen in Vertikalrichtung (Z-Richtung) gegengewirkt
werden. In Längsrichtung
LX der Lenksäule 1 und damit auch
in Längsrichtung
des Kraftfahrzeugs (X-Richtung) auftretende Schwingungen können durch
die Piezoelemente 25 und 26 kompensiert werden,
wohingegen die Piezoelemente 27, 28 zur Regelung
von Dreh- bzw. Rotationsschwingungen (ϕ) in Umfangsrichtung der
Lenksäule 1 bzw.
Drehrichtung des Lenkrads 8 herangezogen werden.
-
Die
Spannungsversorgung für
das System zur Schwingungsdämpfung
ist zeichnerisch nicht dargestellt. Üblicherweise wird sie durch
eine 12 V- oder 24 V-Spannungsquelle realisiert.
-
- 1
- Lenksäule
- 2
- Instrumententräger
- 3
- Lenksäulenbefestigung
- 4
- Lenksäulenbefestigung
- 5
- oberer
Lenksäulenabschnitt
- 6
- unterer
Lenksäulenabschnitt
- 7
- Dämpfungskörper
- 8
- Lenkrad
- 9
- A-Säule
- 10
- A-Säule
- 11
- Tragprofil
- 12
- Airbag-Halterung
- 13
- Klimaanlagenmodul
- 14
- Piezoelement
- 15
- Piezoelement
- 16
- Piezoelement
- 17
- Piezoelement
- 18
- Piezoelement
- 19
- Piezoelement
- 20
- Piezoelement
- 21
- Piezoelement
- 22
- Regler
- 23
- Anbindungsbereich
- 24
- Anbindungsbereich
- 25
- Piezoelement
- 26
- Piezoelement
- 27
- Piezoelement
- 28
- Piezoelement
- 29
- Kopplungshälfte
- 30
- Kopplungshälfte
- 31
- Sensor
- 32
- Sensor
- 33
- Sensor
- 34
- Sensor
- 35
- Sensor
- 36
- Sensor
- 37
- Sensor
- LX
- Längsachse
v. 1
- U
- Umfangsrichtung
- ϕ
- Rotationswinkel
- X
- Raumkoordinate
- Y
- Raumkoordinate
- Z
- Raumkoordinate