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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Lenksäule für Kraftfahrzeuge, insbesondere
eine Sicherheitslenksäule,
die einer lenkradseitigen Stoßeinwirkung
oberhalb eines Schwellwerts unter Energieabsorption nachgibt.
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Bei
Frontalkollision eines Fahrzeugs verformt sich üblicherweise der dem Lenkgestänge zugewandte
Bereich außerhalb
der Fahrgastzelle einer Sicherheitslenksäule so, dass sich während der
Kollision die Lenkradposition innerhalb der Fahrgastzelle nicht
oder nur unwesentlich verändert.
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Aus
der Offenlegungsschrift
DE 21
60 849 ist hierzu eine Sicherheitslenksäule bekannt, welche sich im
Kollisionsfall unter Energieabsorption bleibend an einem mit mehreren
Abflachungen bzw. Eindrückungen
versehenen Rohrteil verformt.
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Im
Verlauf einer Frontalkollision wird ein Fahrzeuglenker in Richtung
der Fahrzeugfront geschleudert, mit der häufigen Folge, dass sein Kopf oder
Oberkörper
auf das Lenkrad aufprallen. Insassen-Rückhaltesysteme, beispielsweise
ein Automatikgurt meist in Verbindung mit einem Luftsack mindern
im Regelfall die Wucht des Aufpralls. Bei schweren Unfällen ist
die Wucht des Aufpralls auf das Lenkrad dennoch oft so gewaltig,
dass sich der Fahrer schwere Verletzungen zuzieht.
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Es
ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Sicherheitsvorrichtung
für eine
Lenksäule anzugeben,
welche die Verletzungsgefahr einer Person beim Aufprall auf das
Lenkrad vermindert.
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Diese
Aufgabe wird durch die Erfindung, wie sie im unabhängigen Anspruch
festgelegt ist gelöst. Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Merkmale der Unteransprüche definiert.
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Eine
erfindungsgemäße Sicherheitsvorrichtung
für eine
Lenksäule
mit einem sich bei Krafteinwirkung zumindest ab einem Schwellwert
unter Energieabsorption bleibend deformierenden Verformbereich zeichnet
sich dadurch aus, dass die Sicherheitsvorrichtung die in einem Halteelement
aufgenommene Lenksäule
mit einem, in einer definierten Position zu dem Halteelement angeordneten
Stützelement
für die
Lenksäule
verbindet, dass weiterhin die Sicherheitsvorrichtung ein Formteil
mit zwei Enden und dem dazwischen angeordneten Verformbereich aufweist
und Verbindungselemente zur Verbindung der Enden des Formteils mit
der Lenksäule
hat, wobei die Verbindungselemente an der Lenksäule in einem axialen Abstand
angeordnet sind, und die Verbindungselemente ausgelegt sind, bei
einer auf die Lenksäule
in axialer Richtung einwirkenden Kraft unterhalb des Schwellwerts
die Lenksäule
in einer bestimmten axialen Position relativ zum Stützelement zu
halten und bei Überschreiten
des Schwellwerts an zumindest einem Ende des Formteils eine Zwangslösung einer
Verbindung mit der Lenksäule
zu gewährleisten.
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Eine
erfindungsgemäße Sicherheitsvorrichtung
gewährleistet
im Falle einer Fahrzeugkollision vorteilhaft die Übertragung
von über
das Lenkrad auf die Lenksäule
ausgeübten
Kräften
auf einen zur Absorption der Aufprallenergie ausgebildeten Verformbereich.
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Zur
sicheren Übertragung
der Aufprallenergie auf den Verformbereich des Formteils kann das Stützelement
unlösbar
mit einem Ende des Formteils verbunden sein. Weiter vorteilhaft
bilden hierbei Stützelement
und Formteil ein einstückiges
Bauteil. Entsprechend einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist
das Stützelement
lösbar
mit einem Ende des Formteils verbunden, wobei in einer bevorzugten
Ausführung
eine Ausformung am Stützelement
und eine dazu im wesentlichen komplementär ausgestaltete Ausformung
an einem Ende des Formteils ineinander greifen.
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Um
die Zwangslösung
einer Verbindung mit der Lenksäule
bei Überschreiten
des Schwellwerts zu gewährleisten,
wird das Verbindungselement als Abscherstift ausgebildet. Als Material
für den
Abscherstift wird bevorzugt ein Polymer verwendet; der Abscherstift
kann aber auch aus Metall oder einer Metalllegierung ausgeführt werden.
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Die
Ausführung
des Verformbereichs des Formteils muss im Kollisionsfall eine Deformation
des Verformbereichs verbunden mit einer Änderung seiner Länge sicherstellen.
Zweckmäßigerweise
weist der Verformbereich des Formteils hierzu eine, größere Längenänderungen
zulassende wellenförmige Geometrie
auf. Bedarfsweise kann der Verformbereich des Formteils auch eine
wabenförmige
Geometrie aufweisen, die insbesondere für die Absorption höherer Aufprallenergien
von Vorteil ist.
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Die
von einem Fahrer auf das Lenkrad übertragene Aufprallenergie
hängt im
Wesentlichen von der Schwere des Unfalls ab. Die Sicherheitsvorrichtung
sollte vorteilhaft adaptiv auf unterschiedliche Aufprallenergien
reagieren, d.h. auch bei relativ geringen Aufprallenergien sollte
der Verformbereich ausreichend deformierbar sein um Verletzungen
des Fahrers möglichst
gering zu halten. Dennoch sollte auch bei hohen Aufprallenergien
die maximal mögliche
Deformation des Verformbereichs nicht überschritten werden. In einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung weist der Verformbereich daher zumindest
zwei Bereiche mit voneinander verschiedenen Deformationseigenschaften auf.
Zweckmäßig wird
hierzu die Geometrie des Verformbereichs des Formteils mit zumindest
einer Unstetigkeit versehen. Ein entsprechender Bereich unterschiedlicher
Deformationseigenschaften kann vorteilhaft auch durch eine Querschnittsänderung
im Verformbereich ausgebildet sein.
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Eine
kompakte Bauweise einer erfindungsgemäßen Sicherheitsvorrichtung
ergibt sich durch ein Formteil das nur einen geringen Bauraum um
die Lenksäule
beansprucht. Vorteilhaft ist daher die Ausdehnung des Formteils
radial zur Lenksäule
wesentlich geringer ist als seine Ausdehnung axial sowie in Richtung
des Umfangs der Lenksäule.
Da das Formteil längs
der Lenksäule
angeordnet ist, entstehen hierdurch keine Einschränkungen
für die
Konstruktion eines für
die vorgesehenen Längenänderungen ausgebildeten
Verformbereichs. Um ein Ausknicken des Verformbereichs in Richtung
der Lenksäule
zu verhindern, liegt vorzugsweise die der Lenksäule zugewandte Fläche des
Formteils im Wesentlichen am von ihr überdeckten Teil der Mantelfläche der
Lenksäule
an. Ein Ausknicken des Verformbereich von der Lenksäule weg
wird entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform unterbunden, indem
zumindest ein Bauteil einen geringen Abstand zur, von der Lenksäule abgewandten
Fläche
des Formteils aufweist.
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Für eine direkte Übertragung
der Aufprallenergie auf den Verformbereich des Formteils ist die Lenksäule in einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung entlang ihrer axialen Richtung relativ
zum Halteelement verschiebbar gelagert. Dabei kann die Position
des Lenkrads entlang der axialen Richtung der Lenksäule verstellbar
ausgeführt
werden, indem die Position des Stützelements zweckmäßig relativ
zum Halteelement veränderbar ist.
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Eine
Adaption der Sicherheitsvorrichtung an unterschiedliche Aufprallenergien
kann durch ein Verbinden von Lenksäule und Stützelement mit zumindest zwei
Formelementen erzielt werden. Dabei weisen die Formelemente vorteilhaft
unterschiedliche Deformationseigenschaften auf, wobei die Deformationseigenschaften
eines Formelements jeweils auf einen bestimmten Bereich von Aufprallenergien ausgelegt
sind.
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Eine
erfindungsgemäße Sicherheitsvorrichtung
für eine
Lenksäule
kann in Kraftfahrzeugen zur Erhöhung
der passiven Sicherheit im Hinblick auf eine Verminderung von Unfallfolgen
verwendet werden.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug
auf die beiliegenden Figuren erläutert,
worin
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1 eine
Sicherheitslenksäule
mit einer erfindungsgemäßen Sicherheitsvorrichtung
zeigt,
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2 eine
erste Ausführungsform
eines Formteils einer erfindungsgemäßen Sicherheitsvorrichtung
zeigt,
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3 das
Formteil der 3 vor und nach einer energieabsorbierenden
Deformation zeigt, und
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4 ein
erfindungsgemäßes Formteil
mit Unstetigkeiten in der Geometrie des Formbereichs nach einer
energieabsorbierenden Deformation zeigt.
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Die 1 zeigt
eine Sicherheitslenksäule mit
einer erfindungsgemäßen Sicherheitsvorrichtung. Die
Lenksäule
weist einen Lenkradanschluss 14 auf, der mittels eines
Lenkwellenlagers 13 drehbar in einem Axialgehäuse 2 gelagert
ist. Die Lenksäule
wird an ihrem Axialgehäuse 2 von
einem Haltelement 3, beispielsweise einer Montageplatte
aufgenommen, mittels derer die Sicherheitslenksäule an der Karosserie eines
Kraftfahrzeugs befestigt werden kann.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist die Lenksäule
an dem Haltelement 3 entlang der Lenksäulenachse transversal verschiebbar
gelagert. Die transversale Verschiebbarkeit in axialer Richtung kann
beispielsweise wie in 1 dargestellt mittels eines
Linearwälzlagers 11 mit
Kugelumlaufbüchsen realisiert
werden. Zum Verschieben bzw. Verstellen der Lenksäule entlang
ihrer Achse wird ein mit der Lenksäule verbundenes Stützelement 4 entlang
einem Führungselement 10 bewegt.
Das Stützelement 4 wird
in der Ausführungsform
der 1 von einem Axialverstellgehäuse gebildet, das durch Drehen
einer Axialverstellspindel 10 auf dieser auf und ab bewegt
werden kann. Die Axialverstellspindel 10 ist an der Montageplatte 3 drehbar
gelagert, wobei ihre axiale Lage relativ zur Montageplatte 3 aber
fixiert ist. Ein Drehen der Axialverstellspindel 10 z.B.
mit Hilfe eines vom Fahrzeuglenker ansteuerbaren Elektromotors bewirkt
daher ein Verfahren des Axialverstellgehäuses 4 relativ zur
Montageplatte und parallel zur Lenksäulenachse.
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Auf
dem Axialgehäuse 2 der
Lenksäule
ist ein Formteil 1 mit Hilfe von Verbindungselementen 5 und 6 befestigt.
Die Verbindungselemente 5 gewährleisten unter allen auftretenden
Belastungen eine sichere Befestigung des zugehörigen Endes 8 des Formteils 1 am
Axialgehäuse 2 der
Lenksäule.
Dagegen gewährleisten
die Verbindungselemente 6 eine sichere Verbindung des Endes 7 des
Formteils 1 am Axialgehäuse 2 nur
bei Belastungen bis zu einem bestimmten Schwellwert einer in axialer
Richtung relativ zur Lenkradsäule
auf das am Lenkradanschluss montierte Lenkrad ausgeübten Kraft
F. Oberhalb dieses Schwellwerts gewährleisten die Verbindungselemente 6 eine
Zwangslösung
der Verbindung zwischen dem Ende 7 und dem Axialgehäuse 2.
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Die
Verbindungselemente 5 unterscheiden sich daher von den
Verbindungselementen 6 bezüglich ihrer Festigkeit, sodass
bei den während
einer Frontalkollision zu erwartenden Belastungen ausschließlich die
von den Verbindungselementen 6 hergestellte Verbindung
gelöst
wird. Als Verbindungselemente 5 zur Befestigung des Endes 8 des
Formteils 1 am Axialgehäuse 2 können beispielsweise
Niet- oder Schweißverbindungen
verwendet werden, die unter den auftretenden Belastungen einen Sicheren Halt
des Endes 8 am Axialgehäuse 2 gewährleisten. Kostengünstig werden
Abscherstifte als Verbindungselemente 6 verwendet. Die
Festigkeit der Abscherstifte ist so ausgelegt, dass diese durch
die bei einer Frontalkollision auf sie einwirkende Scherkraft abgeschert
werden und so eine Zwangslösung
der entsprechenden Verbindung bewirkt wird. Alternativ können beispielsweise
auch Verbindungselemente 6 verwendet werden, die eine Kugel
oder einen Stift mit definierter Federkraft in eine passend ausgestaltete Ausnehmung
im Ende 7 des Formelements 1 pressen.
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Die
Verbindung des Stützelements 4 mit
dem Axialgehäuse 2 der
Lenksäule
wird über
das mit den Verbindungselementen 6 befestigte Ende 7 des Formteils 1 bewirkt.
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Im
Hinblick auf eine einfache Montage der Sicherheitslenksäule ist
das Stützelement 4 mittels einer
Ausformung, die in eine hierzu im Wesentlichen komplementär ausgestaltete
Ausformung am Ende 7 des Formteils 1 eingreift,
lösbar
verbunden. Vorzugsweise wird die lösbare Verbindung mittels einer
am Stützelement
bzw. Axialverstellgehäuse 4 angebrachten
Nut realisiert, die in eine am Ende 7 des Formteils 1 ausgebildete
hakenförmige
Ausformung 15 eingreift.
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Bei
Einwirken einer (Aufprall-)Kraft F auf den Lenkradanschluss 14 der
Lenkachse in axialer Richtung tritt an der Verbindung zwischen dem
Axialverstellgehäuse 4 und
dem Ende 7 des Formteils 1 eine entsprechende
Gegenkraft auf, da das Axialverstellgehäuse bei ruhender Axialverstellspindel
in seiner Lage relativ zur Montageplatte fixiert ist. Die Gegenkraft überträgt sich
in Form von Scherkräften
auf die Verbindungselemente 5 und 6. Überschreitet
die Kraft F einen bestimmten Schwellwert, so überschreitet die Abscherbeanspruchung
der Verbindungselemente 6 deren mechanische Belastbarkeit, sodass
sie schließlich
abgeschert werden. Damit wird die Verbindung zwischen dem Ende 7 des
Formteils 1 und dem Axialgehäuse 2 der Lenksäule zwangsgelöst. Das
Ende 7 des Formteils 1 ist nunmehr nur noch mit
dem Stützelement 4 verbunden, während das
Ende 8 des Formteils 1 weiterhin fest am Axialgehäuse 2 der
Lenksäule
befestigt ist, sodass die Kraftübertragung
zwischen Stützelement 4 und
Lenksäule über den,
zwischen den Enden 7 und 8 des Formteils 1 befindlichen
Verformbereich 9 erfolgt. Der Verformbereich 9 ist
so ausgelegt, dass er sich bei Krafteinwirkungen, die ein Abscheren
der Verbindungselemente 6 bewirken plastisch verformt. Die
damit einhergehende Längenänderung
des Formelements 1 bewirkt, dass sich die Lenksäule entsprechend
der plastischen Deformation axial gegen das Stützelement 4 verschiebt.
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Die 2 zeigt
eine bevorzugte Ausführungsform
des in der Sicherheitslenksäule
der 1 verwendeten Formteils 1. Das Formteil 1 weist
zwei Enden 7 und 8 auf, zwischen denen ein Verformbereich 9 angeordnet
ist. Der Verformbereich 9 ist dabei zur Deformation durch
eine Krafteinwirkung entlang der Verbindungslinie zwischen dem Ende 7 und
dem Ende 8 des Formteils 1 ausgelegt. Die Enden 7 und 8 sind
so ausgestaltet, dass sie über
Verbindungselemente wie z. B. Nieten, Abscherstifte oder Schweißverbindungen
mit dem Axialgehäuse 2 der Lenksäule verbunden
werden können.
Das Ende 8 dient zum festen Verbinden des Formteils 1 mit
dem Axialgehäuse 2.
Das Ende 7 dagegen dient zum scherlastabhängigen Verbinden
des Formteils 1 mit dem Axialgehäuse 2 und zur, in
Axialrichtung der Lenksäule
festen Verbindung mit dem Axialverstellgehäuse 4. Zum Herstellen
der Verbindung mit dem Axialverstellgehäuse 4 befindet sich
am äußeren Ende 7 ein
hakenförmiger
Fortsatz 15, der im montierten Zustand in eine entsprechende
Nut am Axialverstellgehäuse 4 eingreift
und somit das Ende 7 in der durch das Axialverstellgehäuse 4 gegebenen
Position fixiert.
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Das
Formteil 1 der 2 zeigt eine wellenförmige Ausgestaltung
der Geometrie des Verformbereichs 9. Wird das Formteil 1 an
der Lenksäule
angebracht wie in 1 dargestellt, so drückt die
Lenksäule
im Kollisionsfall das Ende 8 des Formteils 1 in Richtung
des Endes 7 und staucht hierbei den Verformbereich 9.
Die stärkste
Verformung tritt dabei i.A. an den Bereichen mit der stärksten Krümmung, also den
Wellenspitzen und -tälern
der Geometrie auf. Die Flanken der Wellengeometrie werden dadurch
aufeinander geschoben. In der 3 ist ein
Formteil 1 in seiner ursprünglichen Geometrie im Vergleich
zu einem, bei einem Aufprallversuch gestauchten Formteil 1' dargestellt.
Die Energie absorbierende plastische Verformung des Verformbereichs 9 bewirkt
eine Verkürzung
des Formteils 1' gegenüber seiner
Ausdehnung vor der Stoßeinwirkung.
Die maximal erforderliche Längenänderung,
also der Längenunterschied
zwischen dem ursprünglichen
Verformbereich 9 und dem plastisch deformierten Verformbereich 9' ist abhängig vom
Fahrzeugtyp in dem die erfindungsgemäße Sicherheitslenksäule eingesetzt
wird. Sie variiert zwischen ca. 80 bis 130 mm. Eine typische Längenänderungsanforderung
ist beispielsweise 100 mm.
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In
dem in der 1 dargestellten Ausführungsbeispiel
führt die
durch einen Aufprall verursachte Stoßbelastung der Lenksäule zu einem
Stauchen des Formteils 1. Wird das Formteil jedoch auf der
entgegengesetzten Seite des Axialverstellgehäuses 4 an das Axialgehäuse 2 montiert,
so wird der Verformbereich 9 des Formelements 1 bei
Krafteinwirkung oberhalb des Schwellwerts gedehnt.
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Abhängig von
der Schwere des Unfalls und der Masse des Fahrzeuglenkers variiert
die Aufprallkraft F in einem weiten Bereich. Um für alle auftretenden
Aufprallkräfte
F eine genügende
Längenänderung
des Verformbereichs 9 zu erzielen, können im Verformbereich 9 Zonen
bzw. Bereiche mit unterschiedlichen Deformationseigenschaften ausgebildet sein.
Die 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines entsprechend
gestalteten Formelements 1'' nach erfolgter
Stauchung. An den Flanken der wellenförmigen Geometrie ist der Querschnitt
des Materials verengt, so dass Bereiche 16 mit leichter
Verformbarkeit geschaffen werden. Bei einem Aufprall von relativ
geringer Energie aber oberhalb des durch die Abscherkraft der Scherstifte 6 definierten
Schwellwerts verbiegt sich die Wellengeometrie des Verformbereichs 9'' zuerst an den Engstellen 16,
sodass sich die Flankenteile oberhalb und unterhalb der Engstellen 16 zueinander
abwinkeln. Ist die Aufprallenergie groß genug, wird der Winkel zwischen
den Flankenteilen so groß,
dass sich die Wellenspitzen bzw. Täler berühren und die weitere Kompression
des Verformbereichs 9'' durch Biegen
der Wellenberge und -täler sowie
ein Geraderichten der Abwinkelung der Wellenflanken an den Engstellen
erfolgt. Solche Unstetigkeiten in der Geometrie des Verformbereichs
sind eine einfache Möglichkeit
Zonen bzw. Bereiche 16 mit geändertem Deformationsverhalten
im Verformbereich 9'' auszubilden.
Alternativ zum Ausführungsbeispiel
der 4 kann der Querschnitt des Verformelements auch stetig
entlang seiner Geometrieachse verändert werden. Dies kann durch
eine Variation der lateralen Abmessungen der Struktur quer zur Geometrieachse
aber auch durch eine Dickenänderung des
Materials im Verformbereich bewirkt werden.
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Neben
der in den 1 bis 4 dargestellten
wellenförmigen
Ausprägung
der Verformbereiche 9, 9' und 9'' können auch
wabenförmige
oder gitterförmige
Ausgestaltungen verwendet werden.
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In
Kraftfahrzeugen ist ein Teil der Lenksäule im Allgemeinen unterhalb
des Armaturenbretts im Fußraum
der Fahrgastzelle angeordnet. Zur Verminderung der Verletzungsgefahr
sollte daher das von der Lenksäule
im Fußraum
beanspruchte Volumen möglichst
gering gehalten werden, sodass es kein Hindernis für Knie oder
Beine des Fahrers darstellt. Das Formteil 1 (1'') der erfindungsgemäßen Sicherheitsvorrichtung
ist daher so geformt, dass es im montierten Zustand direkt am Axialgehäuse 2 anliegt. Die
Dicke des Formteils, d.h. dessen Ausdehnung radial zur Lenksäulenachse
im montierten Zustand, ist sehr gering gehalten, insbesondere im
Vergleich zur Ausdehnung des Formelements 1(1'') axial bzw. in Umfangsrichtung
zur Lenksäule.
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Durch
ein Anliegen des Formteils am Axialgehäuse wird ein Ausknicken des
Verformbereichs in Richtung der Lenksäulenachse während eines Deformationsvorgangs
verhindert. Idealerweise folgt dabei die Formgebung der, der Lenksäule zugewandten Fläche des
Formteils der Form des von ihr abgedeckten Teils der Mantelfläche der
Lenksäule.
Dieses Anschmiegen des Formteils 1 an das Axialgehäuse 2 ermöglicht eine
definiert geführte
Verformung des Verformbereichs 9 (9'')
entlang der Lenksäule.
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Ein
Auswinkeln des Verformbereichs 9 (9'') weg
von der Lenksäulenachse
wird durch direkt über dem
Formteil 1 angeordnete Bauteile wie z. B. ein das Axialgehäuse umgebendes
Lenkgehäuse 12 verhindert.
Das Lenkgehäuse 12 ist
in aufgeschnittenem Zustand in der 1 dargestellt
um eine Darstellung der Sicherheitsvorrichtung an der Lenksäule zu ermöglichen.
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Zur
Erhöhung
der Sicherheit insbesondere bei Materialfehlern aber auch zur Realisierung
einer adaptiven Energieabsorption kann in einer weiteren Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Sicherheitsvorrichtung
die Lenksäule
mit dem Stützelement 4 mit
Hilfe von zwei oder mehreren Formelementen 1 verbunden
sein. Die adaptive Energieabsorption wird hierbei durch Verwendung
von Formelementen mit unterschiedlichen Deformationseigenschaften
verwendet, wobei die Deformationseigenschaften so ausgelegt sind,
dass für
jede projektierte Aufprallenergie eine ausreichende Längenänderung
des Deformationsbereichs 9 erzielt wird. Idealerweise werden dabei
die Formelemente in axialer Richtung aneinander gereiht, sodass
die Längenänderungen
der einzelnen Formelemente sich addieren.
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Die
erfindungsgemäße Sicherheitsvorrichtung
mindert die Verletzungsgefahr für
einen Fahrzeuglenker bei Aufprall auf das Lenkrad indem es die Aufprallenergie
absorbiert und dabei das Lenkrad vom Fahrer fort bewegt.