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Die Erfindung betrifft eine energieabsorptive Teleskopanordnung, insbesondere für die Lenksäule oder Lenkwelle bzw. den Lenkstrang eines Kraftfahrzeugs, gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Gattungsgemäße Teleskopanordnungen sind aus dem Stand der Technik – am Beispiel von Kollapssystemen bzw. Teleskoplenkwellen für den Lenkstrang von Kraftfahrzeugen – prinzipiell bekannt. Bei derartigen Teleskoplenkwellen ist. üblicherweise ein innerer, zumeist stabförmiger Wellenabschnitt in einem hohlen, äußeren Wellenabschnitt so angeordnet, dass die beiden Wellenabschnitte im Crashfall teleskopartig ineinander geschoben werden können.
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Hierbei muss die im Crashfall auftretende kinetische Energie von der Teleskoplenkwelle – beim Überschreiten einer möglichst genau definierten Losbrechkraft – kontrolliert aufgenommen und unter Einhaltung einer definierten Weiterschiebekraft in Verformungsarbeit umgesetzt werden. Im Beispielfall soll der Fahrer, insbesondere bei einem Auffahrunfall, vor der Intrusion der Lenksäule bzw. des Lenkrads in die Fahrgastzelle geschützt werden, bzw. das Auftreten unzulässig hoher Kräfte bei einem Aufprall des Fahrers auf das Lenkrad soll vermieden werden.
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Es sind Teleskoplenkwellen bzw. Kollapssysteme bekannt, bei denen innerer und äußerer Wellenabschnitt so zusammengefügt sind, dass die bei einem Crash auftretenden Axialkräfte die konstruktiv festgelegte Losbrechkraft überschreiten, wodurch der innere Wellenabschnitt in den äußeren Wellenabschnitt eingeschoben wird. Die konstruktive Festlegung der Losbrechkraft und der (beim anschließenden Teleskopieren) von der Lenkwelle mittels der Weiterschiebekraft aufzunehmenden Energiemenge erfolgt dabei zumeist durch reibschlüssige Verbindungen mit definierter Haft- und Gleitreibungskraft zwischen den beiden Wellenabschnitten und/oder mittels formschlüssiger Elemente, die beim Teleskopieren der beiden Wellenabschnitte definiert zerstört bzw. abgeschert werden.
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Formschlüssige Systeme zur Verbindung der Wellenabschnitte einer Teleskoplenkwelle werden dabei häufig in Form von Kunststoffeinspritzungen in Hohlräume realisiert, wobei die Hohlräume mittels geeigneter Formgebung der ineinander angeordneten beiden Wellenabschnitte gebildet sind.
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Reibschlüssige Verbindungen zwischen innerem und äußerem Wellenabschnitt einer Teleskoplenkwelle bzw. eines Kollapssystems werden im Stand der Technik zumeist durch hülsenartige Kunststoffelemente realisiert, die entweder in Form von Hochdruck-Kunststoffeinspritzungen zwischen die beiden montierten Wellenabschnitte eingebracht werden, oder die beim Fügen der Teleskoplenkwelle – unter Vorspannung mittels einer Presspassung – in Form von Kunststoffhülsen zwischen den beiden Wellenabschnitte angeordnet werden.
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Derartige bekannte Verbindungssysteme für die Wellenabschnitte von Teleskoplenkwellen unterliegen jedoch grundsätzlich herstellungsspezifischen Prozessschwankungen vor alter in der Form, dass die konstruktiv vorgesehene Nennkraft, bei der das kontrollierte Versagen der Teleskoplenkwelle erfolgen soll, ebenso wie die konstruktiv vorgesehene Weiterschiebekraft bzw. die Energiemenge, die beim Teleskopieren der Lenkwelle aufzunehmen ist, nicht exakt reproduziert werden kann. Dies gilt umso mehr, als die entsprechende Nennkraft bzw. Energiemenge über die Lebensdauer des Systems bzw. Kraftfahrzeugs (und bei den unterschiedlichsten Umgebungsbedingungen) möglichst genau aufrechterhalten bleiben soll. Zudem sind die bekannten kunststoffbasierten Systeme zur Crashkraftbegrenzung bei Teleskoplenkwellen aufgrund der Eigenschaften der verwendeten Kunststoffe üblicherweise temperaturempfindlich, und können daher nicht in Bereichen eingesetzt werden, in denen mit starken Temperaturschwankungen zu rechnen ist, also insbesondere in unmittelbarer Nähe des Kraftfahrzeugmotors.
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Mit dem Hintergrund dieser grundsätzlicher Nachteile kunststoffbasierter Systeme sind Teleskoplenkwellen entwickelt worden, bei denen die Aufgabe der Festlegung einer definierten Versagenskraft und eines spezifischen Versagensverhaltens im Crashfall durch im Wesentlichen streifenförmige Blechelemente übernommen wird, auch bezeichnet als Toleranzbleche, die zwischen dem inneren und dem äußeren Wellenabschnitt einer Teleskoplenkwelle angeordnet werden. Beispiele hierfür sind aus der
DE 103 52 915 A1 und der
DE 100 19 249 B4 bekannt.
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Bei diesem Stand der Technik werden die streifenförmige Blechelemente bzw. Toleranzbleche mit dem inneren Wellenabschnitt (üblicherweise unlösbar) verbunden. Auf diese Weise soll sichergestellt werden, dass im Crashfall – unter Mitnahme der Toleranzbleche durch den inneren Wellenabschnitt – eine Relativbewegung zwischen innerem und äußerem Wellenabschnitt und ein dementsprechendes Abgleiten der Toleranzbleche an der Innenwandung des äußeren Wellenabschnitts erfolgt.
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Typischerweise sind die Toleranzbleche dabei mit einer geeigneten Prägung versehen, deren Dickenabmessungen so gewählt sind, dass sich beim Fügen von innerer Wellenabschnitt (mit daran befestigtem Toleranzblech) und äußerem Wellenabschnitt eine definierte Presspassung zwischen dem inneren Wellenabschnitt, dem geprägten Toleranzblech und dem äußeren Wellenabschnitt ergibt.
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Die derartigen, bekannten Teleskoplenkwellen mit Toleranzblechen zwischen den inneren und äußeren Wellenabschnitten sind jedoch zunächst einmal vergleichsweise aufwändig in der Herstellung, insbesondere da dort eine entsprechende Längsführung bzw. -Aussparung für das Toleranzblech im äußeren, hohlen Wellenabschnitt vorgesehen werden muss. Diese erfordert üblicherweise den Einsatz eines aufwändigen Fließressverfahrens zur Herstellung des äußeren Wellenabschnitts, oder eine dementsprechend teure mechanische Bearbeitung des äußeren Wellenabschnitts zur Erzeugung der erforderlichen Längsaussparung für das Toleranzblech.
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Zusätzlicher Aufwand entsteht durch die Notwendigkeit der Herstellung einer festen Verbindung zwischen innerem Wellenabschnitt und Toleranzblech, welche im Stand der Technik häufig durch Verstemmen eines entsprechenden Fortsatzes am inneren Wellenabschnitt mit einer entsprechenden Aussparung am Toleranzblech erfolgt. Weitere Einschränkungen bei den aus dem Stand der Technik bekannten Teleskopwellen mit Toleranzblechen als Krafterzeugungselementen bestehen darin, dass die bekannten Bauweisen mit Toleranzblechen eine Abstützung von Axialkräften zwischen äußerem und innerem Wellenabschnitt nur in einer axialen Richtung erlauben, weshalb für eine etwa erforderliche Aufnahme von Axialkräften in beiden Richtungen zusätzliche konstruktive Maßnahmen zu treffen sind.
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Ferner ist beim Stand der Technik zumeist eine zusätzliche Auszugssicherung zwischen äußerem und innerem Wellenabschnitt der Teleskopwelle erforderlich, ebenso wie die etwa vorhandene Forderung nach einer stetig abfallenden oder zunehmenden Crashkraft mit zunehmendem Verschiebeweg mit den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen nicht ohne weiteres realisiert werden kann.
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Aus der
DE 197 15 845 A1 ist eine Teleskopanordnung für eine Lenksäule mit einer stabförmigen Welle und einer rohrförmigen Hülse bekannt, bei der die Drehmomentübertragung zwischen Welle und Hülse durch ein jeweils auf der Außenoberfläche der Welle und der Innenoberfläche der Hülse angeordnetes Vielzahnprofil erfolgt. Zusätzlich zu dem Vielzahnprofil sind bei der aus dieser Druckschrift bekannten Teleskopanordnung Klemmelemente erforderlich, um die gewünschte spielfreie Führung zwischen Welle und Hülse bzw. die beim Teleskopieren erwünschten Reibungskräfte zu erzeugen. Dies ist jedoch konstruktiv sowie bezüglich Fertigung und Montage aufwändig und teuer, was insbesondere für das auf der Welle und in der Hülse auszubildende Vielzahnprofil gilt. Zudem bezieht sich die aus dieser Druckschrift bekannte Teleskopanordnung auf eine teleskopisch verstellbare Lenkwelle, wobei die Klemmelemente primär zur Unterbindung von Spiel bei der Verstellung von Welle und Hülse dienen. Die Klemmelemente eignen sich damit nicht zur Energieabsorption insbesondere im Crashfall Mit diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine energieabsorptive Teleskopanordnung bzw. ein Kollapssystem insbesondere für eine Lenksäule oder Lenkwelle bzw. für den Lenkstrang eines Kraftfahrzeugs bereitzustellen, mit der die genannten Nachteile des Standes der Technik überwunden werden. Insbesondere soll die Erfindung es dabei ermöglichen, energieabsorptive Teleskopanordnungen bzw. Kollapssysteme für Lenksäulen oder Lenkwellen bzw. Lenkstränge zu schaffen, bei denen die für den Crashfall vorgesehenen Losbrech- und Weiterschiebekräfte mit konstruktiv vergleichsweise einfachen und bei der Herstellung kostengünstigen Mitteln erzielt und über die gesamte Lebensdauer der Teleskopanordnung bzw. des Kollapssystems aufrechterhalten werden können. Die energieabsorptive Teleskopanordnung soll zudem auch bei extremen Temperaturbedingungen einsetzbar sein, wie sie insbesondere in der Nähe des Motors am Kraftfahrzeug oder in der Nähe anderer Komponenten, die eine erhebliche Wärmemenge abgeben auftreten. Die Teleskopanordnung bzw. das Kollapssystem soll ferner auch doppeltwirkend ausgeführt werden können, und der Crashkraftverlauf über den Weiterschiebeweg soll in weiten Grenzen variabel einstellbar sein.
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Diese Aufgabe wird durch eine energieabsorptive Teleskopanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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In für sich genommen zunächst bekannter Weise umfasst die energieabsorptive Teleskopanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung eine im Wesentlichen stabförmige Welle, eine im wesentlichen rohrförmige Hülse sowie ein im Wesentlichen streifenförmiges Klemmelement. Dabei ist die Welle gemeinsam mit dem Klemmelement axial verschieblich in der rohrförmigen Hülse so anordenbar, dass eine Presspassung zwischen Welle, Klemmelement und Hülse gebildet wird.
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Erfindungsgemäß jedoch zeichnet sich die Teleskopanordnung dadurch aus, dass die Welle im Bereich der Presspassung eine Oberflächenaussparung aufweist, die zumindest einen Absatz zur Wellenoberfläche bildet. Dabei ist das Klemmelement in der Oberflächenaussparung der Welle anordenbar, wobei ein axialer Formschluss zwischen dem zumindest einen Absatz der Oberflächenaussparung und dem Klemmelement ausgebildet wird.
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Mit der Oberflächenaussparung und dem darin formschlüssig anordenbaren Klemmelement werden diverse Vorteile gegenüber dem Stand der Technik erreicht. Zunächst einmal ermöglicht die Oberflächenaussparung die Positionierung des Klemmelements zwischen der Welle und der Hülse der Teleskopanordnung, ohne dass die Hülse der Teleskopanordnung zur Aufnahme und Führung des Klemmelements zusätzlich eine aufwändige Formgebung mittels Fließpressen oder mechanischer Bearbeitung erhalten müsste, wie dies beim Stand der Technik der Fall ist. Es können dank der Erfindung somit kostengünstige Hülsen mit einfachen Grundquerschnittsformen – ohne zusätzlichen Freigangsquerschnitt für das Klemmelement – eingesetzt werden.
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Ferner entfällt dank der formschlüssigen Aufnahme des Klemmelements in der Oberflächenaussparung der Welle die im Stand der Technik gegebene Notwendigkeit der zusätzlichen Verankerung bzw. Verbindung des Klemmelements mit der Welle, beispielsweise durch Verschrauben oder Verstemmen, wodurch ebenfalls wieder Arbeitsschritte und Kosten eingespart werden. Im Vergleich zu den bekannten kunststoffbasierten Systemen zur Crashkraftbegrenzung bei Teleskoplenkwellen besitzt die Erfindung zudem den Vorteil, dass das Klemmelement als vergleichsweise einfaches Metallteil ausgeführt werden kann, wodurch die bei den kunststoffbasierten Systemen auftretende Temperaturempfindlichkeit ebenso entfällt wie durch Kunststoffalterung hervorgerufene Probleme bezüglich der Aufrechterhaltung von Losbrech- und Weiterschiebekräften.
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Die Erfindung wird unabhängig von der konkreten Formgebung der Oberflächenaussparung verwirklicht, solange das Klemmelement – zumindest in Bezug auf eine der beiden axialen Richtungen – formschlüssig an dem Absatz der Oberflächenaussparung angeordnet werden kann. Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung jedoch sieht vor, dass die Oberflächenaussparung in beiden axialen Richtungen der Welle durch einen Absatz zur Wellenoberfläche abgegrenzt ist. Dies bedeutet mit anderen Worten, dass das Klemmelement in beiden axialen Richtungen der Welle formschlüssig an dem Absatz zwischen der Oberflächenaussparung und der Wellenoberfläche zur Anlage gebracht werden kann. Auf diese Weise lässt sich die Teleskopanordnung somit nahezu ohne Zusatzaufwand doppeltwirkend ausbilden, das heißt, die Teleskopanordnung kann ohne zusätzlich erforderliche konstruktive Maßnahmen zur definierten Kraftübertragung – bzw. auch zum etwaigen Energieabbau – in beide axiale Richtungen eingesetzt werden.
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Mit diesem Hintergrund ist die Oberflächenaussparung auf der Welle der Teleskopanordnung besonders bevorzugt als flache Ringnut ausgebildet. Eine derartige Ringnut lässt sich an der Oberfläche der Welle der Teleskopanordnung wahlweise durch spanende wie auch durch spanlose Formgebung besonders einfach und kostengünstig anbringen, und erlaubt eine sichere, formschlüssige Positionierung des Klemmelements in der Ringnut zwischen den beiden Absätzen, die an den Enden der Ringnut zur Wellenoberfläche gebildet sind. Die Ringnut kann dabei insbesondere entlang des gesamten Umfangs der Welle umlaufend an der Welle angeordnet werden, oder auch nur teilweise um die Welle umlaufend ausgebildet sein. In jedem Fall läuft die Ringnut jedoch so weit um, dass das Klemmelement bzw. Toleranzblech vollständig in die Ringnut eingelegt werden kann.
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Die Erfindung lässt sich ferner zunächst einmal unabhängig von Art, Formgebung und Material des Klemmelements verwirklichen, solange das Klemmelement formschlüssig in der Oberflächenaussparung der Welle angeordnet werden kann und sich zur Ausbildung der vorgesehenen Presspassung zwischen Welle und Hülse der Teleskopanordnung eignet.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist jedoch vorgesehen, dass das Klemmelement durch einen Blechstreifen gebildet ist, der vorzugsweise eine Anzahl geprägter Noppen oder Sicken aufweist. Die Ausbildung des Klemmelements in Form eines Blechstreifens ist äußerst kostengünstig, während die Anbringung von Noppen oder Sicken in der Oberfläche des als Blechstreifen ausgebildeten Klemmelements die Herstellung der jeweils erforderlichen Presspassung zwischen Welle und Hülse der Teleskopanordnung mit größtmöglicher konstruktiver Variabilität erlaubt, ohne dass hierzu die Querschnittstoleranzen von Welle und Hülse außerordentlich exakt eingestellt werden müssten.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass sich das Klemmelement über nur geringfügig mehr als die Hälfte des Umfangs der Ringnut bzw. der Welle erstreckt. Dies ist vorteilhaft insbesondere mit dem Hintergrund eines als Blechstreifen ausgebildeten Klemmelements, da das Klemmelement bei dieser Ausführungsform montagefertig hergestellt werden kann, und sich im Anschluss durch einfaches Aufschnappen auf die Ringnut bzw. auf die Welle montieren lässt. Hierzu wird das Klemmelement bevorzugt so gefertigt, dass es sich gerade über so viel mehr als die Hälfte des Wellenumfangs erstreckt, dass ein sicheres Aufschnappen ermöglicht wird, ohne dass das Klemmelement beim Aufschnappen auf die Welle jedoch plastisch aufgebogen wird.
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Prinzipiell lässt sich die Erfindung auf praktisch beliebige Querschnittsformen von Welle und Hülse anwenden. Dies gilt insbesondere auch für kreisrunde Querschnitte, die beispielsweise dann eingesetzt werden können, wenn lediglich axiale Energieabsorption, jedoch keine wesentliche Drehmomentübertragung erforderlich ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind jedoch die Querschnittsformen der Welle und der Innenkontur der Hülse zueinander formkorrespondierend unrund ausgebildet. Auf diese Weise kann die Teleskopanordnung, beispielsweise durch die Auswahl elliptischer, polygonaler oder Ein- bzw. Mehrflach-Querschnittsformen, drehstarr so ausgebildet werden, dass auch hohe Drehmomente übertragen werden können, wie dies insbesondere bei der Anwendung der Erfindung bei Lenksäulen oder Lenkwellen bzw. Lenksträngen von Kraftfahrzeugen erforderlich ist.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Innenquerschnittsfläche der Hülse veränderlich über die Hülsenlänge ausgebildet ist. Auf diese Weise lässt sich konstruktiv einfach ein nahezu beliebiger, einstellbarer Kraftverlauf entlang des Verschiebewegs der Teleskopanordnung realisieren. Die Weiterschiebekraft zwischen Welle und Hülse kann dabei durch einfache, geringfügige Veränderung des Innenquerschnitts der Hülse so eingestellt werden, dass sich entweder ein mit dem Verschiebeweg abnehmender oder auch zunehmender, variabler Kraftverlauf ergibt.
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Gemäß einer weiteren möglichen Ausführungsform der Erfindung ist am hülsenseitigen Ende der Welle eine Verdickung, Verstemmung oder Querschnittsquetschung angeordnet. Gleichzeitig weist der Innenquerschnitt der Hülse der Teleskopanordnung eine Verjüngungsstelle auf. Auf diese Weise lässt sich eine Sicherung gegen einen vollständigen Auszug der Welle aus der Hülse und damit gegen eine unerwünschte Trennung von Welle und Hülse realisieren. Dank der Verdickung bzw. Verstemmung am Wellenende und der Verjüngungsstelle in der Hülse kann die Welle nur so weit aus der Hülse herausgezogen werden, bis das verdickte Ende der Welle die Verjüngungsstelle der Hülse erreicht und an dieser zum Anschlag kommt.
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Insbesondere mit dem Hintergrund des Schutzes der Presspassung zwischen Welle und Hülse vor aggressiven oder korrosiven Umgebungseinflüssen ist gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass die Welle zumindest eine der Oberflächenaussparung benachbarte weitere Ringnut zur Aufnahme einer Dichtung zwischen Welle und Hülse aufweist. In die Ringnut kann beispielsweise ein O-Ring eingelegt werden, welcher beim Fügen von Welle und Hülse den Bereich der Presspassung zwischen Welle und Hülse vor dem Eindringen von aggressiven Medien oder Schmutz aus der Umgebung schützt. Ringnut und Dichtung können insbesondere auch beidseitig axial benachbart zur Oberflächenaussparung angeordnet werden, so dass sich eine beidseitige Abdichtung des Bereichs der Presspassung ergibt.
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Alternativ kann das hülsenseitige Ende der Teleskopanordnung auch mittels eines Stopfens abgedichtet werden, der in das offene, wellenabgewandte Ende der Hülse eingebracht wird. In beiden Fällen ergibt sich eine hermetische Abdichtung des Bereichs der Presspassung bzw. des Bereichs des Klemmelements zwischen Welle und Hülse.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand lediglich Ausführungsbeispiele darstellender Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt:
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1 in schematischer Darstellung den Bereich der Presspassung eines energieabsorptiven Lenksäulen-, Lenkwellen- bzw. Lenkstrang-Kollapssystems gemäß dem Stand der Technik im Längsschnitt;
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2 das Lenksäulen-Kollapssystem aus dem Stand der Technik gemäß 1 im Querschnitt;
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3 in isometrischer Darstellung die Welle eines energieabsorptiven Kollapssystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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4 in einer 3 entsprechenden, vergrößerten Darstellung das Klemmelement bzw. Toleranzblech zur Anordnung auf der Welle gemäß 3;
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5 das Toleranzblech gemäß 4 im Querschnitt;
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6 in einer 3 entsprechenden Darstellung und Ansicht die Welle gemäß 3 mit montiertem Toleranzblech gemäß 4 bzw. 5;
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7 in isometrischer Darstellung Welle und Toleranzblech gemäß 6 vor dem Fügen mit der rohrförmigen Hülse des Kollapssystems;
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8 in einer 7 entsprechenden Darstellung und Ansicht Welle und Toleranzblech gemäß 6 und 7 nach dem Fügen;
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9 in einer vergrößerten Darstellung Querschnitt durch das Kollapssystem gemäß 7 bzw. 8 im Bereich des Toleranzblechs gemäß 4 bis 7;
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10 in einer 3 entsprechenden, vergrößerten Darstellung die Welle eines Kollapssystems gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
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11 in einer 10 entsprechenden Darstellung und Ansicht die Welle gemäß 10 mit montierter Dichtung sowie mit montiertem Toleranzblech gemäß 4 bzw. 5;
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12 im schematischen Längsschnitt Welle und Toleranzblech gemäß 10 und 11 nach dem Fügen mit der rohrförmigen Hülse des Kollapssystems;
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13 in isometrischer Darstellung ein Lenksäulen-Kollapssystem gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung mit außenliegender Dichtung;
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14 in einer 8 entsprechenden Darstellung und Ansicht das Kollapssystem gemäß 7 bis 9 mit Visualisierung der Überdeckung zur Auszugssicherung;
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15 in isometrischer Darstellung ein Lenksäulen-Kollapssystem gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung mit montierter Kreuzgelenkgabel sowie mit wellenseitiger Verstemmung als Auszugssicherung; und
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16 den Lenkstrang eines Kraftfahrzeugs mit einem darin angeordneten Kollapssystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Die 1 und 2 zeigen zunächst Ansichten eines energieabsorptiven Lenksäulen-Kollapssystem gemäß dem Stand der Technik. In 1 erkennt man den Bereich der Presspassung zwischen Welle 1, Hülse 2 und Toleranzblech 3 im Längsschnitt, während 2 demselben Bereich im Querschnitt entlang der Schnittlinie A-A in 1 darstellt.
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Es wird erkennbar, dass es bei dem in 1 und 2 dargestellten Kollapssystem gemäß dem Stand der Technik zunächst einmal erforderlich ist, das Toleranzblech 3, welches mittels seiner eingeprägten Sicken 4 die erforderliche Presspassung zwischen der Welle 1 und der Hülse 2 erzeugt, eigens anhand einer endseitigen Verstemmung 5 mit der Welle 1 zu verbinden.
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Ferner erfordert die aus dem Stand der Technik bekannte Anordnung des Toleranzblechs 3 eine spezielle Formgebung 6 der Hülse 2, welche insbesondere aus der Querschnittdarstellung gemäß 2 hervorgeht. Die Hülse 2 muss mit anderen Worten eine im Wesentlichen prismatische Ausnehmung im Bereich 6 zur Aufnahme des Toleranzblechs 3 erhalten, welche eine vergleichsweise aufwändige Herstellung bzw. Bearbeitung der Hülse 2 beispielsweise durch Fließpressen, Räumen oder dgl. erfordert. Ähnliches gilt für einen zur Erzielung des gewünschten Weiterschiebekraftverlaufs etwa erforderlichen variablen Querschnittsverlauf 7 der Hülse 2. Auch in diesem Fall muss die Hülse 2 zusätzlich die zur Aufnahme des Toleranzblechs 3 erforderliche Ausnehmung im Bereich 6 aufweisen bzw. erhalten.
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Nicht zuletzt wirkt das aus dem Stand der Technik bekannte Kollapssystem gemäß 1 und 2 lediglich in eine Richtung (bei Kompression), da die Befestigung 5 des Toleranzblechs 3 das Toleranzblech 3 nur bei Relativbewegungen zwischen Welle 1 und Hülse 2 in Kompressionsrichtung ordnungsgemäß fixieren kann.
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Im Unterschied zum Stand der Technik gemäß 1 und 2 zeigen die 3 bis 9 eine erste Ausführungsform eines Kollapssystems für eine Lenksäule, eine Lenkwelle bzw. für einen Lenkstrang, gemäß der vorliegenden Erfindung. 3 zeigt dabei zunächst die Welle 1, während 4 und 5 das Toleranzblech 3, und 6 die Welle 1 mit montiertem Toleranzblech 3 darstellen.
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Anhand einer Zusammenschau der 3 bis 6 erkennt man, dass das Toleranzblech 3 erfindungsgemäß in einer Oberflächenaussparung 8 der Welle 1 angeordnet wird. Bereits hierdurch erübrigen sich sämtliche Nachteile bzw. Einschränkungen, die beim Stand der Technik gemäß 1 und 2 vorhanden sind.
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So ist es dank der Erfindung insbesondere nicht mehr erforderlich, das Toleranzblech 3 eigens mit der Welle 1 zu verbinden, insbesondere nicht mittels der aus dem Stand der Technik zu diesem Zweck bekannten Verstemmung 5. Vielmehr ergibt sich die axiale Verbindung zwischen Toleranzblech 3 und Welle 1 bei der Erfindung durch die formschlüssige Anlage des Toleranzblechs 3 an den Absätzen 9, welche die Oberflächenaussparung 8 zusammen mit der Oberfläche der Welle 1 bildet.
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Diese axiale Verbindung zwischen Toleranzblech 3 und Welle 1 ist bei der dargestellten Ausführungsform gemäß 3 bis 9 überdies doppeltwirkend und fixiert das Toleranzblech 3 somit in beiden axialen Richtungen der Welle 1. Das Kollapssystem gemäß der Darstellung in den 3 bis 9 kann somit ohne zusätzlichen konstruktiven Aufwand so ausgeführt werden, dass sich eine Verankerungswirkung zwischen Welle 1 und Hülse 2 bzw. eine Energieaufnahmemöglichkeit bei Relativverschiebung zwischen Welle 1 und Hülse 2 entlang beider axialer Richtungen ergibt.
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Auch lässt sich das Toleranzblech 3 dank seiner Querschnittsform gemäß 5 sehr einfach mit der Welle 1 verbinden, indem das Toleranzblech 3 im Bereich der Oberflächenaussparung 8 auf die Welle 1 aufgeschnappt wird. Hierzu ist das Toleranzblech 3 so ausgeführt, dass es geringfügig mehr als die Hälfte des Umfangs der Welle 1 im Bereich deren Oberflächenaussparung 8 umfasst und damit die Welle geringfügig formschlüssig hintergreift. Dies ist insbesondere aus 5 ersichtlich und dort anhand der punktierten Fläche angedeutet, die der Hälfte des Querschnitts der Welle 1 im Bereich der Oberflächenaussparung 8 entspricht.
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Das Toleranzblech 3 wird somit einfach auf die Welle 1 aufgeschnappt und ist hierdurch bereits mit der Welle 1 verbunden, wie dies der in 6 dargestellten Montagesituation entspricht. Zur Erzeugung der gewünschten Presspassung zwischen Welle 1 und Hülse 2 weist das dargestellte Toleranzblech 3 eingeprägte Sicken 4 auf. Durch geeignete Wahl der Anzahl, Anordnung, Ausrichtung und Formgebung der Sicken 4 ebenso wie durch Materialwahl und Materialstärke des für das abgebildete Toleranzblech 3 verwendeten Blechzuschnitts, sowie in Abhängigkeit der dabei gewählten Toleranzen lässt sich die gewünschte Presspassung und damit das Verhalten des Kollapssystems im Crashfall konstruktiv exakt einstellen.
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Dank der Erfindung entfällt auch die Notwendigkeit für eine spezielle, aufwändige Formgebung 6 der Hülse 2, wie sie im Stand der Technik erforderlich ist, vgl. 2. Dies geht insbesondere aus den 7 bis 9 hervor. Man erkennt in 7, dass die Hülse 2 bei der Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kollapssystems gemäß 3 bis 9 lediglich eine simple, zur Querschnittsform der Welle 1 formkorrespondierende Zweiflach-Querschnittsform aufweist, s. insbesondere auch 9 mit der dort nun Querschnitt dargestellten Hülse 2 und der darin zusammen mit dem Toleranzblech 3 angeordneten Welle 1.
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Die Verbindung zwischen Welle 1 und Hülse 2 lässt sich dementsprechend sehr einfach dadurch herstellen, dass das Toleranzblech 3 (ohne weitere Hilfsmittel oder Verbindungselemente) auf die Welle 1 im Bereich deren Oberflächenaussparung 8 aufgeschnappt, und die Welle 1 zusammen mit dem Toleranzblech 3 sodann in die Hülse 2 eingeschoben bzw. eingepresst wird, vgl. 8.
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In den 10 bis 13 sind zwei Varianten für die Abdichtung des Bereichs des Toleranzblechs 3 gegen Umgebungseinflüsse dargestellt. Mit der Abdichtung lässt sich gewährleisten, dass die konstruktiv festgelegten Höhen bzw. Verläufe von Losbrech- bzw. Weiterschiebekraft zwischen Welle 1 und Hülse 2 auch während der gesamten Lebensdauer des Kollapssystems bzw. der Teleskoplenkwelle möglichst unverändert und reproduzierbar bleiben. Bei der Ausführungsform gemäß 10 bis 12 erfolgt die Abdichtung des Bereichs 8 der Presspassung zwischen Welle 1 und Hülse 2 im Umfeld des Toleranzblechs 3 sowie am wellenseitigen Ende der Presspassung durch eine zusätzliche umlaufende Ringnut 10 in der Welle 1 (vgl. 10, wobei in die Ringnut 10 eine entsprechende Elastomerdichtung eingebracht wird, beispielsweise ein O-Ring 11, vgl. 11.
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Die im Bereich der Überdeckung 13 zwischen Welle 1 und Hülse 2 angeordnete Elastomerdichtung 11, bzw. der O-Ring 11, dichtet sodann den Bereich 8 der Presspassung zwischen Welle 1 und Hülse 2, bzw. den Bereich 8 des Toleranzblechs 3, auf der Wellenseite hermetisch gegen Umgebungseinflüsse ab, wie in 12 dargestellt. Die hülsenseitige Abdichtung des Bereichs 8 des Toleranzblechs 3 erfolgt bei den in 10 bis 13 dargestellten Ausführungsbeispielen mittels eines Stopfens 12, welcher in das der Welle 1 abgewandte Ende der Hülse 2 eingepresst ist.
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Bei der Ausführungsform gemäß 13 hingegen wurde nach der Montage von Welle 1 und Hülse 2 eine außenliegende Dichtung 14 zwischen Welle 1 und Hülse 2 angeordnet. Bei der Dichtung 14 kann es sich beispielsweise um eine elastische Fuge aus Silikon oder Polymerkleber handeln.
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Aus den 12 bis 15, insbesondere aus dem Längsschnitt gemäß 12, geht ferner hervor, auf welch einfache Weise bei der Erfindung ein im Crashfall variabler Verlauf der Weiterschiebekraft realisiert werden kann. Hierzu ist lediglich die Hülse 2 an entsprechender Stelle mit einer geringfügigen Aufweitung 15 zu versehen. Hierdurch ergibt sich beim Ineinanderschieben von Welle 1 und Hülse 2 – nach der Erreichung des Querschnittsübergangs 16 zwischen dem Bereich 8 der Presspassung und dem Bereich der Aufweitung 15 durch das Toleranzblech 3 – eine aufgrund der Verringerung der Pressung zwischen Hülse 2, Toleranzblech 3 und Welle 1 im aufgeweiteten Bereich 15 entsprechend abnehmende Weiterschiebekraft.
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In den 14 und 15 schließlich sind zwei Varianten für eine Sicherung gegen Auszug der Welle 1 aus der Hülse 2 dargestellt. Eine derartige Auszugssicherung ist beispielsweise für den Fall erforderlich, dass die Presspassung zwischen der Welle 1 und der Hülse 2 versagen sollte, was beispielsweise dann auftreten kann, falls ein fehlerhaft dimensioniertes Klemmelement bzw. Toleranzblech 3 installiert worden sein sollte. Die Auszugssicherung gemäß der in 14 dargestellten Ausführungsform besteht dabei darin, dass die Überdeckung 13 zwischen Welle 1 und Hülse 2 so gewählt wird, dass eine Separierung von Welle 1 und Hülse 2 unter allen Betriebszuständen (beispielsweise bei axialer Verstellung der Lenksäule) nicht möglich ist. Die Überdeckung 13 kann dabei – wie anhand des Pfeils 16 angedeutet – in Abhängigkeit der äußeren Randbedingungen, beispielsweise der Verstellbarkeit der Lenksäule, bedarfsweise auch größer gewählt werden.
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Bei der Variante der Auszugssicherung gemäß 15 erhält die Welle 1 – nach einem anfänglichen Durchschieben durch die Hülse 2 – am hülsenseitigen Ende eine Querschnittsquetschung bzw. eine Anzahl von Verstemmungen 17, wodurch sich die Querschnittsfläche der Welle 1 im Bereich des endseitigen Querschnitts geringfügig vergrößert. Nach der abschließenden Montage von Welle 1 und Hülse 2 mittels Wiedereinzug der Welle 1 in die Hülse 2 (vgl. Pfeile 18 in 15) verhindern die Verstemmungen 17 – zusammen mit der geringfügigen Querschnittsverjüngung 16 der Hülse 2 im Anschluss an den Bereich 8 der Presspassung zwischen Welle 1 und Hülse 2 (vgl. auch 12) – dass die Welle 1 durch die Hülse 2 durchgezogen bzw. aus der Hülse 2 herausgezogen werden kann.
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Bezugsziffer 19 bezeichnet die in 15 vollständigkeitshalber eingezeichnete Gabel 19 eines im Verlauf des Lenkstrangs angeordneten Kreuzgelenks 21 (vgl. 16).
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In 16 schließlich ist ein Anwendungsbeispiel für das Kollapssystem gemäß der in 3 bis 15 dargestellten Ausführungsformen im Lenkstrang eines Kraftfahrzeugs abgebildet. Dargestellt ist der Lenkstrang vom lenkradseitigen Vielzahn 20 (zur Aufnahme der Lenkradnabe) bis zum lenkgetriebeseitigen Kreuzgelenk 21, welches seinerseits einen Innenvielzahn zur Aufnahme der Eingangswelle des (nicht dargestellten) Lenkgetriebes aufweist.
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Der dargestellte Lenkstrang umfasst ferner ein weiteres Kreuzgelenk 22 zur Umlenkung des Lenkstrangs in den Fahrzeuginnenraum sowie eine Einrichtung 23 zur Verstellung des Lenkrads sowohl in Axialrichtung als auch in der Höhe relativ zum Armaturenbrett bzw. zum Fahrersitz. Das erfindungsgemäße Kollapssystem 24 ist bei der dargestellten Ausführungsform zwischen den beiden Kreuzgelenken 21 und 22 angeordnet.
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In einem Crashfall kann sich der Abstand zwischen dem lenkgetriebeseitigen Gelenk 21 und dem Lenkrad bei 20 aufgrund der Verformungen des Vorderwagens verkürzen. Um dabei zu verhindern, dass diese Verformungen über den Lenkstrang übertragen werden, woraufhin das Lenkrad oder die obere Lenksäule in den Fahrgastraum eindringen könnten, werden diese Verformungen von der Teleskopanordnung bzw. vom Kollapssystem 24 aufgenommen, indem Welle 1 und Hülse 2 teleskopisch ineinander geschoben werden. Erfindungsgemäß kommt bei dem Kollapssystem 24 ein Klemmelement bzw. Toleranzblech 3 zum Einsatz, das (gemäß der Darstellung in den 3 bis 15) in einer auf der Welle 1 angeordneten Ringnut 8 angeordnet ist.
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Dank des erfindungsgemäßen Kollapssystems 24 kann die Höhe der Losbrech- wie auch der Weiterschiebekraft beim im Crashfall auftretenden kontrollierten Versagen der Presspassung zwischen Welle 1 und Hülse 2 wie beschrieben konstruktiv sehr genau festgelegt werden. Ebenso bleiben diese konstruktiv festgelegten Kräfte dank der Eigenschaften des erfindungsgemäßen Kollapssystems 24 dauerhaft und unter allen Umgebungsbedingungen erhalten.
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Im Ergebnis wird demnach deutlich, dass sich mit der Erfindung energieabsorptive Teleskopanordnungen bzw. Kollapssysteme insbesondere für die Lenksäulen oder Lenkwellen bzw. Lenkstränge von Kraftfahrzeugen realisieren lassen, bei denen die für den Crashfall vorgesehenen Losbrech- und Weiterschiebekräfte mit konstruktiv einfachen sowie kostengünstigen Mitteln sicher festgelegt und über die gesamte Lebensdauer der Teleskopanordnung bzw. des Kollapssystems – wie auch im Fall starker Temperaturschwankungen – zuverlässig beibehalten werden können. Die Erfindung erlaubt zudem die konstruktive Definition eines über den Weiterschiebeweg variablen Crashkraftverlaufs, und ermöglicht überdies auf einfache Weise die Realisierung doppeltwirkender Kollapssysteme.
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Die Erfindung leistet damit einen wichtigen Beitrag zur Bereitstellung dauerhaft betriebssicherer Kollapssysteme, insbesondere für die Anwendung im Bereich der Lenksäulen oder Lenkwellen bzw. Lenkstränge von Kraftfahrzeugen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Welle
- 2
- Hülse
- 3
- Klemmelement, Toleranzblech
- 4
- Sicken
- 5
- Verstemmung
- 6
- Toleranzblechaufnahme
- 7
- variabler Querschnittsverlauf
- 8
- Oberflächenaussparung, Ringnut
- 9
- Wellenabsätze
- 10
- Ringnut
- 11
- Elastomerdichtung
- 12
- Stopfen
- 13
- Überdeckung Welle/Hülse
- 14
- außenliegende Dichtung
- 15
- Aufweitung
- 16
- Querschnittsübergang
- 17
- Verstemmung
- 18
- Montagerichtung
- 19
- Kreuzgelenk
- 20
- Lenkradnabenaufnahme
- 21, 22
- Kreuzgelenk
- 23
- Lenksäulenverstellung
- 24
- Teleskopanordnung, Kollapssystem
