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Die
Erfindung betrifft eine Lenksäulenanordnung
gemäß Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Aus
der
EP 0 662 414 A1 geht
eine Lenksäulenanordnung
hervor, die ein teleskopierbares Mantelrohr, eine hierzu innen drehbar
und konzentrisch angeordnete Lenkspindel und ein Energieabsorptionselement
umfasst. Das bekannte Energieabsorptionselement ist von einem Draht
gebildet, welcher mit dem einen Ende um ein Umformelement gewickelt und
mit dem anderen Ende an einem Sicherungselement befestigt ist. Bei
einem Aufprall bewegt sich das Umformelement vom Sicherungselement
weg und erzeugt so eine Spannung im Draht. Diese Spannung bewirkt
eine Abwicklung des Drahts, wodurch der Draht deformiert wird und
einen Widerstand erzeugt. Dabei wird Aufprallenergie absorbiert.
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Aus
der WO 00/76833 A1 ist eine Lenksäulenanordnung bekannt, welche
bei einer Stoßeinwirkung
unter Energieaufnahme verkürzbar
ist. Die Lenksäulenanordnung
weist ein an einer Karosserie befestigtes teleskopierbares Mantelrohr,
vier Umformelemente und ein durch die Umformelemente umgelenktes
Energieabsorptionselement auf. Dieses bewegt sich bei einer Stoßeinwirkung
relativ zu dem Umformelement und verformt sich dabei. Durch eine Änderung
der Position der Umformelemente wird der Verformungsgrad des Energieabsorptionselements eingestellt.
Hierzu sind zwei der Umformelemente relativ gegenüber den
anderen Umformelementen translatorisch bewegbar. Die beiden beweglichen Umformelemente
werden jeweils durch ein Betätigungsmittel
verschoben.
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Aus
der
DE 103 13 470
B3 geht eine Lenksäulenanordnung
der hier angesprochenen Art hervor, welche mehrere Umformelemente
aufweist, von denen einige Umformelemente relativ gegenüber anderen
Umformelementen verlagerbar ausgebildet sind. Über die Umformelemente ist
ein Energieabsorptionselement geführt, welches sich bei einer Stoßeinwirkung
relativ zu den Umformelementen bewegt. Zwei der Umformelemente sind
an einem linear verschiebbaren Verbindungselement angeordnet, wodurch
eine gleichzeitige Verschiebung der beiden Umformelemente zum Zwecke
der Positionsänderung
derselben relativ gegenüber
den ortsfest angeordneten Umformelementen mittels eines einzigen Antriebs
möglich
ist. Aufgrund dieser Ausgestaltung ist die Anzahl der Bauteile der
bekannten Lenksäulenanordnung
und deren Platzbedarf entsprechend gering.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, eine Alternative zu der bekannten Lenksäulenanordnung
zu schaffen.
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Zur
Lösung
der Aufgabe wird eine Lenksäulenanordnung
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Diese umfasst ein
speziell gestaltetes Crashelement, welches mindestens zwei Umformelemente
und wenigstens ein Energieabsorptionselement aufweist. Bei einer
Stoßeinwirkung
auf die Lenksäule
bewegt sich das Energieabsorptionselement relativ zu den beiden
Umformelementen und wird dabei verformt. Somit wird durch das erfindungsgemäße Crashelement
Aufprallenergie durch Formänderungsarbeit
absorbiert. Durch eine Änderung der
Position beziehungsweise Lage eines Umformelements relativ zu dem
anderen Umformelement verändert
sich der jeweilige Umschlingungswinkel des Energieabsorptionselements
an den Umformelementen. Dadurch ist der Verformungsgrad des Energieabsorptionselements
einstellbar. Zumindest eines der Umformelemente ist drehbeweglich
oder schwenkbeweglich gelagert. Ferner ist ein Antrieb zum Bewegen
dieses Umformelements vorgesehen. Die Lenksäulenanordnung zeichnet sich
dadurch aus, dass das mittels des Antriebs bewegbare Umformelement
exzentrisch gelagert ist und dass der Antrieb unter Zwischenschaltung
eines Verbindungselements mit dem Umformelement gekoppelt ist, wobei das
Verbindungselement an einem Ende außermittig am Umformelement
angelenkt ist und mittels des Antriebs translatorisch bewegbar ist.
Eine Verlagerung des Verbindungselements führt also zu einem Verschwenken
des vorzugsweise an einem karosseriefesten Teil ortfest angeordneten
Umformelements, wodurch der Umschlingungswinkel der Umformelemente
verändert
wird und somit der Verformungsgrad des Energieabsorptionselements
bei einer Stoßwirkung
auf die Lenksäulenanordnung.
Anders als bei der bekannten Lenksäulenanordnung wird also nicht
das Umformelement selbst translatorisch verlagert, sondern lediglich
ein Koppelelement zur Übertragung
der Antriebskräfte
auf das exzentrisch, jedoch ortsfest gelagerte Umformelement.
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Mittels
der erfindungsgemäßen Lenksäulenanordnung
kann demnach das Maß der
Energieabsorption besonders einfach an anatomische und fahrdynamische
Randbedingungen, wie beispielsweise Körpergröße und Körpergewicht der Fahrzeuginsassen,
angepasst werden und ein Aufprall bestmöglich gedämpft werden.
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Um
die Funktion der erfindungsgemäßen Energieabsorptionseinrichtung
sicherzustellen, sind ein Ende des Energieabsorptionselements und
die Umformelemente an zwei im Falle einer Stoßeinwirkung relativ zueinander
beweglichen Teilen der Lenksäule
angeordnet sind. Dadurch bewegt sich das mindestens eine, über die
Umformelemente geführte Energieabsorptionselement
im Falle eines Unfalls und einer Verkürzung der Lenksäule relativ
zu den Umformelementen und wird dabei verformt.
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Wenn
im Zusammenhang mit der Erfindung von einem fahrzeugfest angeordneten
Mantelrohr die Rede ist, so kann das Mantelrohr sowohl direkt als auch
indirekt -beispielsweise über
einen relativ zur Karosserie verschiebbaren Schlitten- an der Karosserie
befestigt sein.
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Weitere
vorteilhafte Ausführungsbeispiele der
Lenksäulenanordnung
ergeben sich aus Kombinationen der aus dem Unteranspruch, der Beschreibung
und den Zeichnungen hervorgehenden Merkmale.
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Gemäß einer
Ausführungsform
sind als Umformelemente ein Primärzylinder
und ein Sekundärzylinder
vorgesehen. Der Primärzylinder
ist relativ zum äußeren Mantelrohr
fest angeordnet und der Sekundärzylinder
ist relativ zum Primärzylinder
um eine exzentrische Achse schwenkbeweglich angeordnet. Diese Ausführung bringt
besondere Vorteile für
die Herstellung mit sich, weil sie eine einfache Montage des Primärzylinders
an dem äußeren Mantelrohr
ermöglicht,
da dieses einfach zugänglich
ist. Selbstverständlich
können
die Umformelemente, unabhängig davon,
ob sie als Zylinder ausgebildet sind oder eine andere geeignete
Außenkontur
aufweisen, auch an anderen Teilen der Lenksäule befestigt sein, solange das
Energieabsorptionselement mit einem relativ dazu beweglichen Teil
in Verbindung steht.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform sind
alle Umformelemente drehbar oder zumindest schwenkbar gelagert.
Dies hat den Vorteil, dass beim Verformen des Energieabsorptionselements
fast ausschließlich
Rollreibung auftritt und das Niveau der Energieabsorption besser
kalkuliert werden kann, weil lediglich die Formänderungsarbeit und die Rollreibung
berücksichtigt
werden müssen.
Zumindest eines der Umformelemente kann jedoch auch fest angeordnet
sein. Dadurch tritt bei der Verformung des Energieabsorptionselements
zusätzlich
Reibung auf. Diese Reibung erhöht
die Absorption der Aufprallenergie, indem sie der Stoßeinwirkung
einen höheren
Widerstand entgegensetzt. Folglich kann das Energieabsorptionselement
bei gleicher Energieabsorption kürzer
und damit platzsparender ausgestaltet werden.
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Um
die Energieabsorption zu erhöhen,
sind in einer weiteren Ausführungsform
mindestens vier Umformelemente und zumindest ein Energieabsorptionselement
vorgesehen. Durch diese Art der Anordnung wird das Maß der Energieabsorption
deutlich erhöht,
vorzugsweise verdoppelt, ohne die Anzahl der Bauteile zu verdoppeln,
wodurch Kosten eingespart werden.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Dabei
zeigen:
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1 eine
perspektivische Ansicht einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lenksäulenanordnung,
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2 eine
schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Crashelements
in einer ersten Funktionsstellung und
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3 eine
schematische Darstellung des Crashelements in einer zweiten Funktionsstellung.
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Die
in 1 dargestellte Lenksäulenanordnung besteht aus einem
fahrzeugfest angeordneten äußeren Mantelrohr 1 und
einem teleskopförmig
in dem äußeren Mantelrohr 1 verschiebbaren
inneren Mantelrohr 2. In den Mantelrohren 1, 2 ist
eine nicht dargestellte, ebenfalls teleskopierbare, Lenkspindel gelagert,
an der ein ebenfalls nicht dargestelltes Lenkrad befestigt ist.
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Zur
Ausführung
der Teleskopbewegung von Lenkspindel und Mantelrohren 1 und 2 ist
eine Spindel 3 vorgesehen, die entlang der Mantelrohre 1 und 2 angeordnet
ist. Mit ihrem einen Ende ist die Spindel 3 an dem dem
Lenkrad zugewandten Ende des inneren Mantelrohrs 2 angelenkt.
Das andere Ende der Spindel 3 wirkt mit einer am äußeren Mantelrohr 1 angeordneten
Antriebseinheit 4 zusammen. Wenn die Spindel 3 als
Gewindespindel ausgeführt
ist, kann eine Verstellung sehr einfach über ein Drehen der Spindel 3 erfolgen.
Die Teleskopbewegung dient der Längenverstellung
der Lenksäulenanordnung,
mit deren Hilfe der Fahrer die Position des Lenkrads an seine eigenen
Bedürfnisse
anpassen kann und trägt somit
zum Komfort des Fahrers bei.
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Durch
eine Stoßeinwirkung
auf die Lenksäule
schiebt sich das innere Mantelrohr 2 durch eine Crashkraft
FC in das äußere Mantelrohr 1. Über die am
inneren Mantelrohr 2 befestigte Spindel 3 wird
die Crashkraft FC auf die Antriebseinheit 4 übertragen, deren
nicht dargestellte Halterungen so dimensioniert sind, dass sie ab
einer bestimmten Kraft aus ihren Anbindungen reißen, wonach sich die Antriebseinheit 4 entlang
der Mantelrohrachsen verschiebt und eine Relativbewegung zum Mantelrohr 1, 2 ausübt.
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Die
Lenksäulenanordnung
ist mit einem in 2 dargestellten Crashelement 5 versehen.
Das Crashelement 5 ist symmetrisch zu einer gedachten, gestrichelt
angedeuteten Ebene ES aufgebaut. Der Einfachheit
halber wird im Folgenden nur der oberhalb der Symmetrieebene ES liegende Teil beschrieben. Die gewünschte Funktion
des Crashelements 5 ist auch ohne die unterhalb der Symmetrieebene
ES angeordneten Teile realisierbar. Die
unterhalb der Symmetrieebene ES angeordneten
Funktionselemente sind mit jeweils demselben Bezugszeichen und einem
hochgestellten Index in Form eines Strichs versehen.
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Das
Crashelement 5 weist Umformelemente 6 und 7 auf,
die bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel von Rollen beziehungsweise
Walzen mit kreiszylindrischem Querschnitt gebildet sind. Die Umformelemente 6 und 7 sind
hier drehbar gelagert, wobei die Drehachsen A beziehungsweise B
der Umformelemente parallel zueinander und senkrecht zur Bildebene
der 2 verlaufen sowie senkrecht zu einer aus der Crashkraft
FC resultierenden Zugkraft FZ angeordnet
sind.
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Das
Umformelement 6 ist am äußeren Mantelrohr 1 oder
einem hierzu nicht beweglichen Teil der Lenksäulenanordnung (nicht dargestellt)
befestigt. Folglich sind das Umformelement 6 und das äußere Mantelrohr 1 nicht
beweglich zueinander angeordnet.
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Das
Umformelement 7 ist exzentrisch gelagert, das heißt, die
Achse B weist zum Mittelpunkt des Umformelements 7 einen
Abstand auf, wie aus 2 ersichtlich. Durch ein Verschwenken
des Umformelements 7 um die Achse B ist die Position/Lage desselben
gegenüber
dem Umformelement 6 veränderbar,
worauf im Folgenden noch näher
eingegangen wird.
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Das
Umformelement 7 ist ortsfest an einem bei Stoßwirkung
auf die Lenksäulenanordnung
relativ gegenüber
dem äußeren Mantelrohr 1 beweglichen Teil
der Lenksäulenanordnung
angeordnet.
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Zum
definierten Verschwenken des Umformelements 7 um die Achse
B ist ein Antrieb 8 vorgesehen, der einen Motor 9,
ein mittels des Motors 9 translatorisch verlagerbares Übertragungselement 10 sowie
ein Verbindungselement 11 umfasst. Das Verbindungselement 11 ist
an seinem einen Ende am Umformelement 7 und an seinem anderen
Ende am Übertragungselement 10 angelenkt.
Der Anlenkpunkt 12 des Verbindungselements 11 am
Umformelement 7 und die Achse B, um die das Umformelement 7 schwenkbar
ist, sind diametral angeordnet. Die Bewegung des Übertragungselements 10 wird über das
schwenkbeweglich mit dem Umformelement 7 gekoppelte Verbindungselement 11 auf
das Umformelement 7 übertragen.
Der Motor 9 ist ebenso wie das Umformelement 6 an
dem äußeren Mantelrohr 1 angeordnet.
Die Relativbewegung zwischen den Umformelementen 6 und 7 erfolgt
mittels einer Schwenkbewegung des Umformelements 7 um die Achse
B. Dabei bleibt jedoch der Abstand und die Lage der Achsen A und
B relativ zueinander unverändert.
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Des
Weiteren weist das Crashelement 5 ein Energieabsorptionselement 13 in
Form eines Drahts 14 auf. Es ist auch denkbar, einen Blechstreifen
mit einem rechteckigen oder anderen Querschnitt zu verwenden. Der
Draht 14 ist mäanderförmig über die Umformelemente 6 und 7 geführt.
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In
der Darstellung gemäß 2 beginnt
der Verlauf des Drahts 14 im Bereich der Umformelemente 6 und 7 unten
links am Umformelement 6, geht dann zwischen den Umformelementen 6, 7 hindurch nach
oben und endet oben rechts am Umformelement 7. Ein linkes
Ende 14A des Drahts 14 ist frei, ein rechtes Ende 14B des
Drahts 14 ist an einer Lenksäulenkomponente befestigt (nicht
dargestellt), die sich im Falle eines Crashs relativ zum äußeren Mantelrohr 1 und
somit zum Umformelement 6 bewegt, wie beispielsweise dem
inneren Mantelrohr 2, der Spindel 3 oder der Antriebseinheit 4.
Die beiden Drahtenden 14A, 14B verlaufen rechts
und links von den Umformelementen 6, 7 waagerecht
und sind parallel zueinander ausgerichtet. Im Falle eines Crashs schiebt
sich das innere Mantelrohr 2 in das äußere Mantelrohr 1 und
am Drahtende 14B greift durch die Relativbewegung der beiden
Mantelrohre 1, 2 beziehungsweise daran befestigter
Elemente eine aus der Crashkraft FC resultierende
Zugkraft FZ an. Der Draht 14 bewegt
sich dadurch relativ zu den Umformelementen 6, 7 und
wird, während
er über
die Umformelemente 6 und 7 geführt und dabei umgelenkt wird, verformt.
Diese Verformung stellt für
die Zugkraft FZ einen Widerstand dar. Dadurch
wird Energie absorbiert.
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In 2 ist
das Crashelement 5 in einer Ausgangsposition dargestellt,
in der das exzentrisch gelagerte Umformelement 7 eine bestimmte
Relativposition gegenüber
dem Umformelement 6 aufweist. In dieser Ausgangsposition
beträgt
der Umschlingungswinkel des Drahts 14 in etwa 90°. Durch eine
Verlagerung des Übertragungselements 10 gemäß der Darstellung
der 2 nach links, wird das Umformelement 7 entgegen
dem Uhrzeigersinn um die Achse B verschwenkt, wodurch der Umschlingungswinkel größer wird.
Bei einer Translationsbewegung des Übertragungselements 10 gemäß der Darstellung der 2 nach
rechts, wird das Umformelement 7 im Uhrzeigersinn um die
Achse B verschwenkt, wodurch sich der Umschlingungswinkel des Energieabsorptionselements 13 verringert.
Die in 2 dargestellte Ausgangsposition ist vorzugsweise
eine Endlage, das heißt,
der Umschlingungswinkel weist ein Maximum auf.
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In 3 ist
das Umformelement 7 gegenüber der Ausgangsposition soweit
im Uhrzeigersinn um die Achse B verschwenkt, dass der Umschlingungswinkel
nur noch in einem Bereich von 40° bis 60° liegt, so
dass die Verformung des Energieabsorptionselements 13 im
Crashfall kleiner ist als in der in 2 dargestellten
Ausgangsposition des Umformelements 7.
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Festzuhalten
bleibt, dass durch ein Verschwenken des Umformelements 7 um
die außermittige
Achse B der zwischen den Achsen A und B bestehende vertikale Versatz
a unverändert
bleibt, ebenso der horizontale Abstand x der Achsen A und B zueinander.
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In
der Ausgangsposition erfährt
der Draht 14 eine bestimmte, gegebenenfalls maximale Verformung
und setzt der Zugkraft FZ einen definierten
Widerstand entgegen. Dadurch wird ein bestimmtes Maß an Energie
absorbiert. In der Endposition gemäß der Darstellung der 3 erfährt der
Draht 14 eine entsprechende geringere, gegebenenfalls minimale
Verformung. Der Zugkraft FZ wird daher ein
verringerter Widerstand entgegengesetzt. Dabei wird ein entsprechend
kleineres Maß an
Energie absorbiert.
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Der
untere Teil des Crashelements 5 ist symmetrisch zum oberen
Teil angeordnet, wobei das vollständige Crashelement 5 nur
einen Motor 9 und ein Übertragungselement 10,
jedoch zwei Verbindungselemente 11 beziehungsweise 11' aufweist. Die
restlichen Bauteile sind doppelt ausgeführt.
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Die
beiden Drähte 14, 14' können an
ihren freien Enden 14A, 14A' durch ein geeignetes Fügeverfahren,
wie beispielsweise Schweißen
oder Kleben, miteinander verbunden werden. Dadurch können freie
Schwingungen der Drahtenden 14A, 14A' unterbunden
und unerwünschte
akustische Effekte vermieden werden. Es ist jedoch auch denkbar,
einen einzigen Draht 14 zu verwenden, der über alle
Umformelemente 6, 6', 7, 7' geführt ist.
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Im
Folgenden wird die Wirkungsweise der Lenksäulenanordnung beziehungsweise
des Crashelements 5 anhand des in den 1 bis 3 dargestellten
Ausführungsbeispiels
näher erläutert: Durch
eine Stoßwirkung,
die beispielsweise im Falle eines Unfalls durch einen Oberkörperaufprall
eines Fahrzeuginsassen auf das Lenkrad entsteht, schiebt sich das
innere Mantelrohr 2 durch die dabei aufgebrachte Crashkraft
FC in das äußere Mantelrohr 1. Sobald
durch die Verschiebung des inneren Mantelrohrs 2 eine hieraus
resultierende Zugkraft FZ an den Drahtenden 14B und 14B' angreift, bewegen
sich die Drähte 14 und 14' relativ zu
den Umformelementen 6 und 7. Die Drähte 14 und 14' werden unter
stetiger Biegung und Rückbiegung über die
Umformelemente 6, 7 beziehungsweise 6' und 7' geführt. Durch
die Biegung wird Energie absorbiert. Der Grad der Verformung und
damit das erwünschte
Energieabsorptionsniveau hängt
von der Schwenkstellung der Umformelemente 7 und 7' relativ gegenüber dem
Umformelement 6 beziehungsweise 6' ab. Wie vorstehend beschrieben,
ist die Schwenkstellung der Umformelemente 7, 7' mittels des
Antriebs 8 gezielt veränderbar.
Für die
Verformung des Drahts 14 wird eine Kraft benötigt. Diese
Kraft stellt einen Widerstand für
die Zugkraft FZ dar. Dieser Widerstand muss
von der Zugkraft FZ überwunden werden. Dabei wird
Aufprallenergie absorbiert, wodurch ein Aufprall des Fahrers auf
das Lenkrad gedämpft
wird.
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Das
Energieabsorptionsniveau und somit die Schwenkstellung der Umformelemente 7 und 7' relativ gegenüber dem
jeweils zugeordneten anderen Umformelement 6 beziehungsweise 6' kann in Abhängigkeit
von verschiedenen fahrzeug- und insassenspezifischen Daten eingestellt
werden. Die Daten können
beispielsweise in regelmäßigen Abständen erfasst
und von einem Steuerungssystem in elektrische Steuersignale umgewandelt
werden, über
die eine Ansteuerung des Motors 9 mit dem Übertragungselement 10 erfolgt.
Das Übertragungselement 10 überträgt die Bewegung über die
Verbindungselemente 11 und 11' auf die Umformelemente 7 und 7'. Durch die
veränderte
Schwenkwinkelstellung der Umformelemente 7, 7' relativ zum
Umformelement 6 beziehungsweise 6' kann der Verformungsgrad des Drahts 14 verändert werden.
Demnach kann der Widerstand, den die Verformung des Drahts 14 der
Zugkraft FZ entgegenstellt, verändert und
das Energieabsorptionsniveau der jeweiligen Situation angepasst werden.
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Die
Umformelemente 6, 6', 7, 7' müssen nicht
zwingend als Rollen oder Walzen ausgebildet sein. Diese können praktisch
jede beliebige Querschnittsform aufweisen, bei der eine gewünschte Verformung
des wenigstens einen Energieabsorptionselements 13 im Crashfall
realisierbar ist. So können
die Umformelemente beispielsweise auch einen kurvenförmigen,
zum Beispiel ellipsenförmigen
Querschnitt oder auch unrunden, zum Beispiel dreieckförmigen Querschnitt
aufweisen. Darüber
hinaus ist es nicht zwingend erforderlich, die Umformelemente 6 und 6' drehbar beziehungsweise
schwenkbar um ihre Längsmittelachse
auszubilden, wie bei dem anhand der Figuren beschriebenen Ausführungsbeispiels. Denkbar
ist auch, dass diese Umformelemente feststehend ausgebildet sind.