DE102005028054B3

DE102005028054B3 - Lenksäule mit Energieabsorptionssystem

Info

Publication number: DE102005028054B3
Application number: DE200510028054
Authority: DE
Inventors: Burkhard Schäfer; Herniu Michalski; Ali Bayram; Rainer Schmidt; Olaf Pompola; Frank Jakubeit
Original assignee: ZF Lenksysteme Nacam GmbH
Current assignee: Robert Bosch Automotive Steering Bremen GmbH
Priority date: 2005-06-16
Filing date: 2005-06-16
Publication date: 2006-12-28
Anticipated expiration: 2025-06-17

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Lenksäule (1) mit Energieabsorptionssystem, die bei einem Unfall des Kraftfahrzeuges in axialer Richtung zusammenschiebbar ausgeführt ist, wobei ein Energieabsorptionsmittel in der Lenksäule (1) angeordnet ist, das beim Zusammenschieben der Lenksäule (1) während des Unfalles die Aufprallenergie des Kraftfahrzeugfahrers auf das Lenkrad absorbiert, wobei mindestens ein Verriegelungselement (8.1, 8.2) angeordnet ist, das im unfallfreien Betrieb sowohl eine torsionale als auch axiale Bewegung der Lenksäule (1) verhindert und mindestens ein pyrotechnisches Element (5) angeordnet ist, das das Verriegelungselement (8.1, 8.2) bei einem Unfall entriegelt. DOLLAR A Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass innerhalb der Lenksäule (1) mindestens ein, sich beim Zusammenschieben der Lenksäule (1) verkleinernder, Hohlraum (9) angeordnet ist, in den ein Treibmittel des pyrotechnischen Elements (5) einleitbar ist, so das das Treibmittel des pyrotechnischen Elements (5) das Energieabsorptionsmittel bildet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Lenksäule mit Energieabsorptionssystem, die bei einem Unfall des Kraftfahrzeuges in axialer Richtung zusammenschiebbar ausgeführt ist, wobei ein Energieabsorptionsmittel in der Lenksäule angeordnet ist, das beim Zusammenschieben der Lenksäule während des Unfalles die Aufprallenergie des Kraftfahrzeugfahrers auf das Lenkrad absorbiert, wobei mindestens ein Verriegelungselement angeordnet ist, das im unfallfreien Betrieb sowohl eine torsionale als auch axiale Bewegung der Lenksäule verhindert und mindestens ein pyrotechnisches Element angeordnet ist, das das Verriegelungselement bei einem Unfall entriegelt.

In Lenksäulen fortschrittlicher Kraftfahrzeuge werden Sicherheitssysteme eingesetzt, die im Falle eines Unfalles, bei dem der Oberkörper des Kraftfahrzeugfahrers meist in Richtung Lenkrad fällt, die Aufprallenergie des Oberkörpers absorbieren.

Üblicherweise beruhen diese eingesetzten Systeme zur Absorption der Aufprallenergie in Lenksäulen auf reibungs-, umformungs- oder scherungsbasierten Systemen. Das heißt, die Aufprallenergie des Kraftfahrzeugfahreroberkörpers wird in der Lenksäule durch entsprechende Bewegung oder Führung von energieabsorbierenden Bauteilen in Reibungsenergie, Deformationsenergie oder Scherenergie umgewandelt. Im normalen Fahrbetrieb wird die im Crashfall [= (Auffahr-)unfall)] längenveränderliche Lenksäule durch ein Koppelmittel zusammengehalten, so dass diese eine unnachgiebige Einheit ergibt. Erst bei einem Unfall des Kraftfahrzeuges wird das Koppelmittel entkoppelt, so dass die Lenksäule bezüglich der axialen Richtung in der Länge veränderlich wird. Beim Zusammenschieben der Lenksäule können dann auch die energieabsorbierenden Bauteile die Aufprallenergie aufnehmen.

Als Koppelmittel dienen meist Magneten oder pyrotechnische Elemente. Zur Realisierung unterschiedlicher Absorptionsniveaus beziehungsweise Absorptionsstufen bei adaptiven Systemen werden diese Systeme mehrfach ausgelegt oder kombiniert.

Unvorteilhaft an diesen Systemen ist, dass sich zum Erzeugen mehrerer Niveaus ein entsprechend hoher Bauraumbedarf und eine einhergehende Erhöhung der Masse ergibt.

Zusätzlich dazu muss eine entsprechende Anzahl von Koppelmitteln installiert werden. Aufgrund dieser Faktoren und dem in aller Regel sehr begrenzten Bauraumbedingungen im Fahrzeug ergibt sich eine sehr kleine Anzahl unterschiedlicher Niveaus zur Energieabsorption.

Beispielsweise ist aus der DE 100 53 182 A1 eine Lenksäule bekannt, welche bei einem Unfall des Kraftfahrzeuges in axialer Richtung zusammenschiebbar aus geführt ist und ein nicht näher beschriebenes Energieabsorbtionsmittel aufweist, dass beim Zusammenschieben der Lenksäule während des Unfalls die Aufprallenergie des Fahrers auf das Lenkrad absorbiert. Darüber hinaus ist ein im unfallfreien Betrieb sowohl eine torsionale als auch axiale Bewegung der Lenksäule verhinderndes Verriegelungselement sowie ein pyrotechnisches Element vorgesehen, welches des Verriegelungselement bei einem Unfall entriegelt.

Aus der DE 103 46 031 A1 des Weiteren bekannt, an Lenksäulen ein Dämpfungselement einzusetzen, welches das Treibmittel eines pyrotechnischen Elements zur Energieabsorbtion verwendet. Die Integration eines derartigen Dämpfungselementes in eine Lenksäule wird aber nicht näher dargestellt.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Lenksäule mit Energieabsorptionssystem derart zu verbessern und zu vereinfachen, dass bei gleichem Wirkungsumfang mit bekannten Energieabsorptionssystemen zum einen der Bauraumbedarf innerhalb der Lenksäule und zum anderen die Masse des Energieabsorptionssystems reduziert werden kann.

Diese Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Besondere Ausbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfinder haben erkannt, dass es günstig ist, wenn die Lenksäule teleskopartig ausgebildet ist und einen Hohlraum aufweist, vorzugsweise mit einem kreisförmigen, ovalen oder rechteckigen Querschnitt, der sich bei Verkürzung der Teleskopteile verkleinert. Im Crashfall wird dieser Hohlraum mittels eines pyrotechnischen Gasgenerators befüllt und unter Druck gesetzt. Dieses Gas kann über definierte Öffnungsquerschnitte, zum Beispiel Ventile, aus dem Hohlraum entweichen. Die erzeugte Gasmenge sowie die Öffnungsquerschnitte sind so zueinander abgestimmt, dass beim Zusammenschieben der Teleskopteile durch äußere Krafteinwirkung Energie absorbiert wird. Gleichzeitig kann das pyrotechnische Element beziehungsweise der Gasgenerator auch dazu genutzt werden das Teleskop zu entriegeln. Beispielsweise kann dies durch ein geeignetes Mittel als Teil des Gasgenerators oder des Ventils bewerkstelligt werden. Diese Verriegelung ist vorzugsweise als Pin ausgeprägt, der im Normalbetrieb sowohl Bewegungssicherung der Lenksäule sowohl in axialer, als auch torsionaler Richtung darstellt. Je nach Auslegung ist es möglich, den Pin im Crashfall definiert so zu bewegen, dass die axiale Sicherung aufgehoben wird, die torsionale aber bestehen bleibt, zum Beispiel durch eine Längsnut am Innenteil des Teleskops.

Im Gasgenerator können mehrere Treibladungen enthalten sein, die unabhängig von einander gezündet werden können. Je nach Anzahl der Ladungen und deren Kombination lassen sich unterschiedlich viele Niveaus der Energieabsorption erzeugen.

Entsprechend diesen Erkenntnissen schlagen die Erfinder vor, eine Lenksäule mit Energieabsorptionssystem, die bei einem Unfall des Kraftfahrzeuges in axialer Richtung zusammenschiebbar ausgeführt ist, wobei ein Energieabsorptionsmittel in der Lenksäule angeordnet ist, das beim Zusammenschieben der Lenksäule während des Unfalles die Aufprallenergie des Kraftfahrzeugfahrers auf das Lenkrad absorbiert, wobei mindestens ein Verriegelungselement angeordnet ist, das im unfallfreien Betrieb sowohl eine torsionale als auch axiale Bewegung der Lenksäule verhindert und mindestens ein pyrotechnisches Element angeordnet ist, das das Verriegelungselement bei einem Unfall entriegelt, dahingehend zu verbessern, dass innerhalb der Lenksäule mindestens ein, sich beim Zusammenschieben der Lenksäule verkleinernder, Hohlraum angeordnet ist, in den ein Treibmittel des pyrotechnischen Elements einleitbar ist, so dass das Treibmittel des pyrotechnischen Elements das Energieabsorptionsmittel bildet.

Das pyrotechnische Element, genauer gesagt das Treibmittel oder Treibgas, wird direkt zur Energieabsorption genutzt und nicht nur, wie bisher, zum Verriegeln beziehungsweise Entriegeln der Lenksäulenbauteile. Unter pyrotechnischem Element im Sinne dieser Erfindung werden Mittel verstanden, die bei Aktivierung einen Ausstoß eines Mediums, vorzugsweise eines Gases oder einer Flüssigkeit, unter Überdruck erzeugen. Beispielsweise das Auslösesystem eines Kraftfahrzeugairbags ist ein pyrotechnisches Element.

Hierdurch werden die bisher zur mechanischen Absorption notwendigen Absorptionselemente entbehrlich. Durch den geringen Bauraumbedarf der pyrotechnischen Ladungen lassen sich mit wenig Bauraum große Anzahlen von Absorptionsniveaus erzeugen. Durch die gleichzeitige Nutzung der Pyrotechnik zum Entriegeln der zusammenschiebbaren Lenksäule ist es möglich, in der normalen Nutzung hohe Kräfte axial und torsional zu übertragen, da das pyrotechnische Element in der Lage ist auch hohe Verriegelungskräfte zu lösen.

In einer günstigen Ausführung besteht die Lenksäule oder Bauteile der Lenksäule aus mindestens zwei zusammenschiebbaren Teleskopteilen. Der Teleskopaufbau, ähnlich dem einer Angelrute, ermöglicht eine kompakte Bauweise der Lenksäule und gleichzeitig wird die notwendige Funktion des Zusammenschiebens beziehungsweise der Verkürzung der Lenksäule bei einem Unfall erlaubt.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn der Hohlraum zwischen den mindestens zwei Teleskopteilen der Lenksäule gebildet wird. Hierdurch kann der Raum, in den das Energieabsorptionsmittel eingeleitet wird, durch die Lenksäulenteleskopteile ohne zusätzliche Bauteile gebildet werden. Durch die mehrfache funktionelle Verwendung der Lenksäulenteleskopteile, nämlich als Mittel zur Verkürzung der Lenksäule und gleichzeitig als Hohlraumwände, kann insgesamt das Gewicht der Lenksäule reduziert werden.

An den mindestens zwei Teleskopteilen der Lenksäule kann mindestens ein Gleit- und Dichtelement angebracht sein, welches den Hohlraum luftdicht abschließt und gleichzeitig ein Zusammenschieben der Teleskopteile der Lenksäule ermöglicht.

Es ist günstig, wenn das pyrotechnische Element zumindest einen Gasgenerator aufweist, der zumindest eine Treibladung beinhaltet. Werden mehrer Treibladungen und mehrere Gasgeneratoren innerhalb der Lenksäule eingesetzt, so kann hierdurch ein Energieabsorptionssystem mit mehreren Energieabsorptionsniveaus erreicht werden.

Der Hohlraum sollte wenigstens eine Öffnung und/oder ein regelbares Ventil aufweisen, durch die das, in den Hohlraum eingeleitete, Treibmittel des pyrotechnischen Elementes entweichen kann. Diese Öffnung und/oder dieses regelbare Ventil verhindert, dass der Druck im Hohlraum stetig ansteigt und somit die Nachgiebigkeit oder das Zusammenschieben der Lenksäule verhindert würde. Weiterhin können über die Querschnittsfläche und die Gestaltung der Öffnung beziehungsweise über die Öffnungscharakteristik des Ventils die Dämpfungseigenschaften des Energieabsorptionssystems eingestellt werden.

In einer besonderen Ausführung kann das Verriegelungselement in der Nähe der Öffnung und/oder des Ventils angeordnet sein. Wird der Hohlraum mit dem Treibgas des pyrotechnischen Elementes befüllt, kann bei geeigneter Anordnung des Verriegelungselementes, dieses durch den im Hohlraum einstehenden Überdruck bewegt werden, wodurch die Lenksäule entriegelt wird und ein Zusammenschieben der Lenksäule ermöglicht wird.

Das Verriegelungselement kann als Stiftelement, vorzugsweise als Pin, ausgeführt sein. Im unfallfreien Betrieb der Lenksäule greift das Verriegelungselement in eine Sicherungsnut ein, wodurch eine Verdrehung und eine Längenveränderung der Lenksäule verhindert wird.

Zur Vermeidung von Verdrehungen der Lenksäule während eines Unfalls, die gleichzeitig eine Drehung der Hebelelemente des Fahrtrichtungsanzeigers, der Scheibenwischanlage und/oder der Lichtanlage bedeutet, und damit eine zusätzliche Verletzungsquelle darstellen würde, kann innerhalb der Lenksäule eine Führungsnut vorgesehen sein, in der das Verriegelungselement geführt wird und dadurch insgesamt die Lenksäule beim Zusammenschieben in axialer Richtung führt.

Analog zum teleskopartigen Aufbau der Lenksäule kann auch die Lenkwelle, an der das Lenkrad des Kraftfahrzeuges befestigt wird, aus mindestens zwei zusammenschiebbaren Teleskopteilen bestehen.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiden Zeichnungen. Es zeigen:
1: Schnittansicht auf eine Lenksäule mit Energieabsorptionssystem;
2: Schnittansicht aus 1 mit anderer Teleskopverriegelung.
In 1 ist die Schnittansicht auf eine Lenksäule 1 mit Energieabsorptionssystem dargestellt. Die Lenksäule 1 wird über Befestigungsmittel 4 im/am Kraftfahrzeug befestigt. Dabei soll die Lenksäule 1 im Falle eines Unfalles, bei dem der Oberkörper des Kraftfahrzeugfahrers meist in Richtung Lenkrad fällt, die Aufprallenergie des Oberkörpers absorbieren. In der Lenksäule 1 aus 1 ist nur der Lenkradanschluss 2.3 dargestellt, an dem das Lenkrad an der Lenkwelle 2 befestigt wird.
Damit die Lenksäule 1 beim Aufprall des Oberkörpers, des Kopfes beziehungsweise der Arme des Kraftfahrzeugfahrers auf das Lenkrad nicht als starre Masse entgegensteht, ist diese im Crashfall längenveränderlich ausgeführt. In der Lenksäule 1 wird diese Längenveränderlichkeit durch einen teleskopartigen Aufbau erreicht. Die Lenksäule 1 besteht aus einem Lenksäulenteleskopinnenteil 1.1 und einem Lenksäulenteleskopaußenteil 12, die zusammenschiebbar sind. Analog dazu ist auch die Lenkwelle 2 teleskopartig aufgebaut, diese besteht auch aus einem Lenkwellenteleskopinnenteil 2.1 und einem Lenkwellenteleskopaußenteil 2.2.
Um für den Fahrbetrieb, bei dem diese Längenveränderlichkeit unerwünscht ist, die Bewegung der Teleskopteile 1.1, 1.2, 2.1 und 2.2 zu unterbinden, werden die Teleskopteile 1.1 und 1.2 der Lenksäule 1 durch ein Verriegelungselement, hier ein Pin 8.1, der in eine Sicherungsnut 11 eingreift, gegen axiale und torsionale Bewegung gesichert.
Im Crashfall wird der Pin 8.1 durch aktivieren eines pyrotechnischen Elementes 5, ähnlich dem eines Airbagsystems, gezogen. Da im Crashfall beim Verdrehen der Lenksäule 1 gleichzeitig die Hebelelemente der Fahrtrichtungsanzeiger, der Scheibenwischanlage und/oder der Lichtanlage eine zusätzliche Verletzungsquelle darstellen, soll eine torsio nale Bewegung der Lenksäule im Crashfall vermieden werden. Beim Zusammenschieben der Teleskopteile 1.1, 1.2, 2.1 und 2.2 wird eine torsionale Verdrehung der Lenksäule 1 dadurch verhindert, dass der Pin 8.1 sich in einer, innerhalb der Lenksäule 1 sich axial erstreckenden Führungsnut 10, bewegt.
Bei dieser Lenksäule 1 wird im Crashfall die Aufprallenergie auf besondere Weise absorbiert. Beim Zünden des pyrotechnischen Elementes 5 wird das Treibmittel, meistens ein Gas, in einen Hohlraum 9 zwischen die Teleskopteile 1.1 und 1.2 der Lenksäule 1 geleitet. Dieser Hohlraum 9 wird über Gleit- und Dichtmittel 3, zum Beispiel Simmerringe, die sich zwischen den Teleskopteilen 1.1 und 1.2 befinden, luftdicht abgeschlossen ohne die Bewegbarkeit der Teleskopteile 1.1 und 1.2 zu verhindern. Somit fungiert das Treibmittel des pyrotechnischen Elementes 5 bei dem sich im verkleinernden Hohlraum 9 als Mittel zur Energieabsorption der Aufprallenergie des Oberkörpers und/oder des Kopfes und/oder der Arme des Kraftfahrzeugfahrers auf das Lenkrad. Um einen Überdruck im Hohlraum 9 zu verhindern, der durch das unter Druck in den Hohlraum 9 einströmende Treibmittel verursacht würde, ist im Hohlraum 9 ein Ventil 6 eingelassen. Über das Ventil 6 können durch bestimmte Querschnittgestaltung und entsprechendes Ansprechverhalten des Ventils die Dämpfungseigenschaften des Energieabsorptionssystems beim Aufprall variiert und eingestellt werden. In 1 deutet eine Feder 7 an, dass der Überdruck, bei dem das Ventil 6 öffnet, einstellbar ist.
Die 2 zeigt im wesentlichen die gleiche Schnittansicht durch eine Lenksäule 1 mit Energieabsorptionssystem, wie in 1. Der Teleskopaufbau der Lenksäule 1, der Lenkwelle 2 und die Funktion der Energieabsorption ist analog zu der Lenksäule 1 aus 1. Im Unterschied zur Lenksäule 1 aus 1 ist das Verriegelungselement, der Pin 8.2, der in Sicherungsnut 11 eingreift, am Ventil 6 angeordnet. Wird bei einem Unfall des Kraftfahrzeuges das pyrotechnische Element 5 gezündet und somit der Hohlraum 9 mit Gas gefüllt, so wird beim Öffnen des Ventils 6 infolge des Überdruckes im Hohlraum 9 der Pin 8.2 aus der Sicherungsnut 11 bewegt. Beim Zusammenschieben der Teleskopteile 1.1, 1.2 wird der zurückgeschobene Pin 8.2 innerhalb der Führungsnut 10 geführt und verhindert die torsionale Verdrehung der Lenksäule 1.
Es versteht sich auch, dass die vorstehend genannten Merkmale der Erfindung nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Ebenso liegt es im Rahmen der Erfindung eine mechanische Umkehr der Funktionen der einzelnen mechanischen Elemente der Erfindung zu bewirken.

1: Lenksäule
1.1: Teleskopinnenteil der Lenksäule
1.2: Teleskopaußenteil der Lenksäule
2: Lenkwelle
2.1: Teleskopinnenteil der Lenkwelle
2.2: Teleskopaußenteil der Lenkwelle
2.3: Lenkradanschluss an der Lenkwelle
3: Gleit- & Dichtmittel
4: Befestigungsmittel
5: pyrotechnisches Element
6: Ventil
7: Feder
8.1: Pin des pyrotechnischen Elements
8.2: Pin des Ventils
9: Hohlraum
10: Führungsnut
11: Sicherungsnut

Claims

Lenksäule (1) mit Energieabsorptionssystem, die bei einem Unfall des Kraftfahrzeuges in axialer Richtung zusammenschiebbar ausgeführt ist, wobei die Lenksäule ein Energieabsorptionsmittel in der Lenksäule (1), das beim Zusammenschieben der Lenksäule (1) während des Unfalles die Aufprallenergie des Kraftfahrzeugfahrers auf das Lenkrad absorbiert, mindestens ein im unfallfreien Betrieb sowohl eine torsionale als auch axiale Bewegung der Lenksäule (1) verhinderndes Verriegelungselement (8.1, 8.2) und mindestens ein pyrotechnisches Element (5), das das Verriegelungselement (8.1, 8.2) bei einem Unfall entriegelt, aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der Lenksäule (1) mindestens ein, sich beim Zusammenschieben der Lenksäule (1) verkleinernder, Hohlraum (9) vorhanden ist, in den ein Treibmittel des pyrotechnischen Elements (5) einleitbar ist, so dass das Treibmittel des pyrotechnischen Elements (5) das Energieabsorptionsmittel bildet.
Lenksäule gemäß dem voranstehenden Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lenksäule (1) aus mindestens zwei zusammenschiebbaren Teleskopteilen (1.1, 1.2) besteht.
Lenksäule gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum (9) zwischen den mindestens zwei Teleskopteilen (1.1, 1.2) der Lenksäule (1) ausgebildet ist.
Lenksäule gemäß einem der voranstehenden Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass Gleit- und Dichtelemente (3) an den mindestens zwei Teleskopteilen (1.1, 1.2) angebracht sind.
Lenksäule gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das pyrotechnische Element (5) zumindest einen Gasgenerator aufweist, der zumindest eine Treibladung beinhaltet.
Lenksäule gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Hohlraum (9) wenigstens eine Öffnung und/oder ein regelbares Ventil (6) angebracht ist.
Lenksäule gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Verriegelungselement (8.1, 8.2) in der Nähe der Öffnung und/oder des Ventils (6) angeordnet ist und durch den im Hohlraum (9) entstehenden Überdruck entriegelt wird.
Lenksäule gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verriegelungselement (8.1, 8.2) als Stiftelement, vorzugsweise als Pin, ausgeführt ist.
Lenksäule gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verriegelungselement (8.1, 8.2) im unfallfreien Betrieb in eine Sicherungsnut (11) eingreift, wodurch eine Verdrehung und eine Längenveränderung der Lenksäule (1) verhindert wird.
Lenksäule gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verriegelungselement (8.1, 8.2) bei einem Unfall in einer Führungsnut (10) in axialer Richtung der Lenksäule (1) geführt wird.
Lenksäule gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lenksäule (1) eine Lenkwelle (2) aufweist, die aus mindestens zwei zusammenschiebbaren Teleskopteilen (2.1, 2.2) besteht.