DE102011083190A1

DE102011083190A1 - Kraftfahrzeuglenksäule mit Energieabsorber

Info

Publication number: DE102011083190A1
Application number: DE102011083190A
Authority: DE
Inventors: Jennifer Baden; Burkhard Schäfer; Kay-Uwe Grams
Original assignee: ZF Lenksysteme Nacam GmbH
Current assignee: Robert Bosch Automotive Steering Bremen GmbH
Priority date: 2011-09-15
Filing date: 2011-09-22
Publication date: 2013-03-21

Abstract

Die Erfindung betrifft eine längsverstellbare Kraftfahrzeuglenksäule mit Führungsrohr (2), Mantelrohr (3), Verstelleinrichtung (4, 5) und Energieabsorbereinrichtung (12) zur Absorption von Aufprallenergie. Die Verstelleinrichtung (4, 5) umfasst eine Stelleinheit (4) zur Verstellung (6) und Fixierung des Führungsrohrs (2) relativ zum Mantelrohr (3). Die Kraftfahrzeuglenksäule zeichnet sich dadurch aus, dass die Energieabsorbereinrichtung (12) als eigenständige Baugruppe ausgebildet und in Reihe innerhalb des Kraftflusses unmittelbar zwischen Führungsrohr (2) und Stelleinheit (4) angeordnet ist. Die Kraftfahrzeuglenksäule ermöglicht mit einem Minimum an konstruktivem Aufwand, Bauraum, Masse und Kosten, sowie unter Entfall einer eigenen Gleitschnittstelle für die Crashkompression der Lenksäule, die Integration der Energieabsorbereinrichtung in die Verstelleinrichtung der Kraftfahrzeuglenksäule. Die Energieabsorbereinrichtung lässt sich zudem modular austauschbar ausführen, wodurch die Lenksäule mit geringem Aufwand an unterschiedliche Einsatzzwecke bzw. Fahrzeugklassen angepasst werden kann.

Description

Die Erfindung betrifft eine verstellbare Kraftfahrzeuglenksäule mit Verstelleinrichtung, Führungsrohr und Mantelrohr gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Zur Anpassung an die Sitzposition bzw. Körpergröße des jeweiligen Fahrers sind Kraftfahrzeuge zumeist mit verstellbarer Lenkradstellung bzw. zu diesem Zweck mit einer verstellbaren Lenksäule ausgestattet. Verstellbare Lenkräder bzw. Lenksäulen können dabei in der Regel sowohl in der vertikalen Richtung, als auch entlang der Lenksäulenachse vor und zurück verstellt werden. Der Fahrzeugführer kann das Lenkrad bei derartigen verstellbaren Lenksäulen somit in eine für ihn bequeme Höhen- und Abstandsposition zum Oberkörper bringen, wobei die zur Verstellung gelöste Lenksäulenverriegelung nach erfolgter Lenkradeinstellung mittels einer Stelleinheit bzw. Feststellvorrichtung wieder arretiert wird, um eine unerwünschte selbsttätige Verstellung der Lenkradposition zu verhindern. Die Arretierung muss dabei bezüglich der Verstellrichtung des Lenkrads – bzw. ggf. bezüglich beider Verstellrichtungen – jeweils zuverlässig erfolgen, um eine unbeabsichtigte Veränderung der Lenkradposition unter allen Betriebszuständen zu unterbinden.
Insbesondere im Hinblick auf die Längsverstellbarkeit umfasst die Lenksäule zu diesem Zweck üblicherweise ein auf geeignete Weise mit der Karosserie verbundenes Mantelrohr sowie ein im Mantelrohr aufgenommenes, gegenüber dem Mantelrohr axial verschiebbares Führungsrohr, wobei im Führungsrohr wiederum die Lenkwelle drehbar aufgenommen und gelagert ist.
Aus dem Stand der Technik bekannte, insbesondere längsverstellbare Lenksäulen umfassen ferner üblicherweise eine Stelleinheit zur wahlweisen Lösung bzw. Verstellung und Fixierung des Lenksäulen-Führungsrohrs (und damit der Lenkwelle) gegenüber dem Mantelrohr. Im geöffneten bzw. Verstellzustand der Stelleinheit sind Führungsrohr und Mantelrohr somit gegeneinander verschiebbar, um so die axiale Verstellbarkeit der Lenkradposition durch den Nutzer im Hinblick auf dessen persönliche Präferenzen zu gewährleisten. Nachdem der Nutzer auf diese Weise die persönlich präferierte Lenkradposition gefunden und eingestellt hat, wird die eingestellte Position durch Fixierung der Längsposition des Führungsrohrs im Mantelrohr mittels der Stelleinheit gesichert.
Hierbei werden jedoch konstruktiv hohe Ansprüche insbesondere an die Funktionalität der Stelleinheit gestellt. Einerseits ist es erforderlich, dass die bei der Fixierung der Längsposition von Mantelrohr und Führungsrohr durch die Stelleinheit aufgebauten Haltekräfte ausreichend groß sind, um nicht nur den während des normalen Betriebs des Kraftfahrzeugs am Lenkrad auftretenden Kräften standzuhalten. Vielmehr müssen die Haltekräfte zwischen Mantelrohr und Führungsrohr auch im Crashfall genügend groß sein, um unerwünschten, insbesondere crashinduzierten Bewegungen der Lenksäule bzw. des Lenkrads entgegenzuwirken, die andernfalls direkt oder indirekt (beispielsweise durch unerwünschte Veränderung der räumlichen Randbedingungen für die Airbagfunktion) zu Verletzungen des Fahrers führen können. Die Anforderung bezüglich der Haltekräfte durch die Lenksäulen-Stelleinheit bedeutet mit anderen Worten, dass die Stelleinheit ggf. sehr hohen, bei einem Crash anfallenden Kräften standhalten muss.
Die angesprochenen crashinduzierten und somit schlagartigen hohen Kräfte auf Lenksäule bzw. Lenkrad können beispielsweise bei einem frontalen Aufprall des Fahrzeugs auf ein Hindernis oder auf ein anderes Fahrzeug auftreten. Die auf die Lenksäule in einem solchen Fall wirkenden Kräfte können dabei insbesondere infolge eines Aufpralls des Fahrers auf das Lenkrad bzw. auf den Fahrerairbag entstehen. In einem solchen Fall müssen jedoch unerwünschte Bewegungen und Verschiebungen auch und gerade im Bereich der Lenksäulenverstellung vermieden werden.
Insbesondere bezüglich der Längsverstellbarkeit der Lenksäule sollen die Haltekräfte jedoch keineswegs beliebig hoch werden können. Vielmehr ist häufig sogar ein eng definiertes Fenster für die zulässige Größe der Längskräfte entlang der Lenksäule vorgegeben. Dies hängt mit einer weiteren Anforderung bezüglich der Crashsicherheit zusammen, gemäß der es erforderlich ist, dass die Lenksäule beim Überschreiten einer bestimmten maximalen Längskraft – beispielsweise bei einem Aufprall oder Sekundäraufprall des Fahrers auf Airbag bzw. Lenkrad – kontrolliert nachgeben und die Aufprallenergie des Fahrerkörpers definiert abbauen soll.
Es besteht somit bezüglich der Längsverstellbarkeit von Lenksäulen ein konstruktiv anspruchsvolles Anforderungsprofil aus a) leichtgängiger Betätigung, b) hoher Haltekraft im Verriegelungszustand und c) Nachgiebigkeit bzw. definiertem Energieabbau beim Überschreiten einer möglichst genau festlegbaren Maximalkraft.
Aus der EP 856 452 B1 ist eine Sicherheitslenksäule bekannt, bei der die Anforderung der Nachgiebigkeit und des Energieabbaus im Crashfall – also insbesondere bei einem Aufprall des Fahrers auf Airbag bzw. Lenkrad – konstruktiv dadurch gelöst wird, dass bei einem derartigen Aufprall ein konusartiger Stülpkörper axial in ein Ende des Führungsrohrs eindringt. Hierdurch wird der Endbereich des Führungsrohrs zunächst konusartig plastisch umgeformt, und schließlich erfolgt – bei weiterem Eindringen des Stülpkonus in das Ende des Führungsrohrs – ein streifenförmiges Einreißen der Wandung des Führungsrohrs mit nachfolgendem spiraligem Aufschälen der Wandungsstreifen des Führungsrohrs, wodurch die Aufprallenergie mittels plastischer Umformung des Führungsrohrendes schlussendlich in Wärme umgewandelt und damit absorbiert wird.
Diese bekannte Einrichtung zur Absorption von Aufprallenergie ist jedoch konstruktiv aufwändig und benötigt erheblichen Bauraum insbesondere im Bereich des lenkradseitigen Endes der Lenksäule bzw. des Führungsrohrs. Der Stülpkonus stellt ein vergleichsweise voluminöses und damit schweres Bauteil dar, welches zudem keine Funktionsintegration mit den weiteren Funktionen der Lenksäule ermöglicht, insbesondere nicht mit der Lenksäulen-Axialverstellung. Vielmehr benötigt die aus dem Stand der Technik bekannte Lenksäule zusätzlich zu einer Gleitschnittstelle zwischen Führungsrohr und Mantelrohr (zur Längsverstellung der Lenksäule im Normalbetrieb) eine weitere Gleitschnittstelle zwischen Führungsrohr und Mantelrohr – im Bereich des Stülpkonus – zur crashbedingten Längenveränderung der Lenksäule bei einem Aufprall des Fahrers auf Lenkrad bzw. Airbag.
Eine weitere Einschränkung derartiger aus dem Stand der Technik bekannten Lenksäulen mit Energieabsorber besteht darin, dass eine Anpassung der Kraft- und Energieniveaus, die bei einem Aufprall des Fahrers auf Lenkrad bzw. Airbag (und bei einer damit verbundenen Kompression der Lenksäule) auftreten, kaum oder nur mit großem konstruktivem Aufwand erfolgen kann, indem beispielsweise die Wandstärke bzw. Formgebung des Führungsrohrs und/oder die Außenkontur des Stülpkonus geändert werden. Die zunehmend geforderte, einfache bzw. modulare Anpassbarkeit auch des Crash- bzw. Verformungsverhaltens von Lenksäulen an unterschiedliche Randbedingungen – beispielsweise beim Einbau in verschiedene Fahrzeugtypen oder – Klassen – ist bei derartigen aus dem Stand der Technik bekannten Lenksäulen damit nur schwer oder mit hohem Kostenaufwand möglich.
Ebenfalls aus dem Stand der Technik bekannt sind Kraftfahrzeuglenksäulen, bei denen die Kompression der Lenksäule (unter Verzehrung von Aufprallenergie) über plastisch verformbare Bauteile erfolgt, die wiederum im Bereich eigenständig verschiebbarer Crashschlitten bzw. Bewegungsschnittstellen angeordnet sind. Derartige Kraftfahrzeuglenksäulen sind beispielsweise aus den Druckschriften DE 10 2006 013 085 B3 und DE 10 2004 051 060 B3 bekannt. Bei diesen aus dem Stand der Technik bekannten Lenksäulen ist jedoch sowohl die Anordnung als auch die Ausführung der energieverzehrenden Bauteile konstruktiv aufwändig und komplex, so dass insbesondere eine einfache Anpassung an unterschiedliche Randbedingungen bzw. Fahrzeugtypen nicht gegeben ist. Auch der bei diesen bekannten Lenksäulen zusätzlich erforderliche Crashschlitten bzw. die dort – ausschließlich für die Crashkomprimierbarkeit der Lenksäule zuständige – zusätzlich notwendige Bewegungsschnittstelle in der Lenksäule führt zu konstruktiv hohem Aufwand, hohen Masse und hohen Bauraumbedarf.
Mit diesem Hintergrund ist es somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kraftfahrzeuglenksäule mit Energieabsorbereinrichtung zu schaffen, mit der sich die genannten, im Stand der Technik vorhandenen Beschränkungen überwinden, und gleichzeitig die dargelegten Anforderungen erfüllen lassen. Die Energieabsorbereinrichtung soll dabei mit einem Minimum an Bauteilen, an Bauraum und an Baugruppenmasse ebenso wie mit einem Minimum an Kosten realisiert werden können. Gleichzeitig soll eine hohe Funktionsintegration und ein hochgradig modularer Aufbau der Kraftfahrzeuglenksäule bzw. Energieabsorbereinrichtung erreicht werden, so dass die Lenksäule – im Sinne eines modularen Baukastensystems – mit geringstmöglichem Aufwand an die Randbedingungen des Einbaus in unterschiedliche Fahrzeuge bzw. Fahrzeugklassen angepasst werden kann.
Diese Aufgabe wird durch eine Kraftfahrzeuglenksäule mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Lenksäule ist gemäß der vorliegenden Erfindung zumindest entlang der Axialrichtung längsverstellbar, und besitzt hierzu eine Verstelleinrichtung mit einer Stelleinheit, mit der das Führungsrohr relativ zum Mantelrohr entweder fixiert, oder zur Verstellung gelöst und entlang der Längsverstellrichtung verstellt werden kann. Die Lenksäule umfasst eine Energieabsorbereinrichtung mit einem unter Energieaufnahme umformbaren Energieabsorberelement zur Absorption von Energie insbesondere bei einem crashbedingten Aufprall des Fahrers auf Airbag oder Lenkrad. Dabei erfolgt die Fixierung des Führungsrohrs durch die Stelleinheit in für sich genommen ebenfalls bekannter Weise mittels eines Kraftflusses zwischen Führungsrohr und Stelleinheit.
Die Lenksäule zeichnet sich dadurch aus, dass die Energieabsorbereinrichtung als eigenständige Baugruppe unmittelbar zwischen Führungsrohr und Stelleinheit – in Reihe innerhalb des genannten Kraftflusses zwischen Führungsrohr Stelleinheit – angeordnet ist. Unter der Charakterisierung als "eigenständige Baugruppe" soll im Sinne der Erfindung verstanden werden, dass die Energieabsorbereinrichtung separat von den sonstigen Bauteilen bzw. Baugruppen der Kraftfahrzeuglenksäule montiert oder vormontiert und auch – als komplettes Modul bzw. komplette Baugruppe – einfach ausgetauscht werden kann.
Somit kann die Energieabsorbereinrichtung konstruktiv in die Einrichtung zur Längsverstellung der Lenksäule (mit Stelleinheit und im Mantelrohr verschiebbarem Führungsrohr) unmittelbar integriert werden, da der Kraftfluss aufgrund der erfindungsgemäßen Anordnung der Energieabsorbereinrichtung nicht nur im Normalbetrieb der Lenksäule bzw. im Verstellfall, sondern auch im Fall der crashbedingten Kompression der Lenksäule stets direkt über die Kraftübertragungskette Führungsrohr -> Energieabsorbereinrichtung -> Stelleinheit verläuft.
Hierdurch entfällt ferner auch die Notwendigkeit, eigens eine weitere Bewegungsschnittstelle (mit dort angeordnetem Energieabsorberelement) im Bereich der Lenksäule bereitzustellen, mit der die axiale Komprimierbarkeit der Lenksäule im Crashfall (unter gleichzeitigem Energieabbau) realisiert wird. Vielmehr kann dank der Erfindung die – für die Längsverstellbarkeit im Normalbetrieb – ohnehin vorhandene Gleit- bzw. Bewegungsschnittstelle der Lenksäule, im Sinne einer vorteilhaften Funktionsintegration, gleichzeitig auch für die Aufgabe der Verkürzung der Lenksäule z.B. bei einem crashbedingten Aufprall des Fahrers auf das Lenkrad realisiert werden. Damit entfällt auch der mit den separaten Energieabsorbereinrichtungen gemäß dem Stand der Technik erforderliche konstruktive und bauteilbezogene Zusatzaufwand ebenso wie die damit verbundene erhebliche Bauteilmasse und der zusätzliche Bauraumbedarf.
Ferner erlaubt die erfindungsgemäße Ausführung der Energieabsorbereinrichtung als eigenständige und damit leicht austauschbare Baugruppe – sowie deren Anordnung unmittelbar in Reihe zwischen Führungsrohr und Stelleinheit – jederzeit eine konstruktiv höchst einfache und mit geringsten Kosten verbundene Anpassbarkeit der erfindungsgemäßen Lenksäule an die Randbedingungen unterschiedlicher Fahrzeuge oder Fahrzeugklassen. So ist zur Anpassung der erfindungsgemäßen Lenksäule beispielsweise an einen bei einem bestimmten Fahrzeug vorgeschriebenen Kraft-Weg-Verlauf bei crashbedingter Lenksäulenkompression lediglich eine entsprechend ausgelegte bzw. angepasste Energieabsorbereinrichtung an der vorgesehenen Stelle im Kraftfluss zwischen Führungsrohr, Stelleinheit und Mantelrohr anzuordnen.
Die Erfindung wird dabei unabhängig davon verwirklicht, wie die Stelleinheit konstruktiv ausgebildet und angeordnet ist, solange der Kraftfluss direkt vom Führungsrohr über die als eigenständige Baugruppe ausgebildete Energieabsorbereinrichtung zur Stelleinheit verläuft. So kann die Stelleinheit zum Beispiel als manuell betätigte Klemmeinheit ausgebildet sein, beispielsweise in Form einer Klemmbolzenvorrichtung mit Betätigungshebel.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Stelleinheit zur motorischen Verstellung der Längsposition des Führungsrohrs im Mantelrohr ausgebildet, und umfasst hierzu einen motorischen Aktuator. Vorzugsweise erfolgt die motorische Verstellung der Längsposition des Führungsrohrs dabei mittels einer Gewindespindel. Die Verstellung mittels Gewindespindel hat den Vorteil, dass die Gewindespindel selbsthemmend ausgeführt werden kann, wodurch die Notwendigkeit für eine zusätzliche Fixierung des Führungsrohrs im Mantelrohr in der (mittels der Gewindespindel jeweils eingestellten) Verstellposition entfallen kann. Vielmehr genügt es, die Gewindespindel rotatorisch mit einer geringen Kraft festzusetzen, wozu üblicherweise bereits die im Spindelantrieb bei Motorstillstand vorhandene Reibung ausreicht, um das Führungsrohr im Mantelrohr axial festzulegen.
Aufgrund der in Reihe zwischen Führungsrohr und Stelleinheit – bei dieser Ausführungsform somit in Reihe zwischen dem Führungsrohr und der Gewindespindel der aktuatorischen Lenksäulenverstellung – angeordneten Energieabsorbereinrichtung ergibt sich somit eine konstruktiv sehr einfache Realisierung sowohl bezüglich der Aufgabe der axialen Lenksäulenverstellung (durch rotatorischen Antrieb der Spindel), als auch bezüglich der Aufgabe der axialen Fixierung des Führungsrohrs (durch rotatorische Blockierung der Spindel), und zudem bezüglich der Aufgabe der Energieabsorption im Fall eines crashbedingten Aufpralls auf Airbag oder Lenkrad. Die axiale Kompression der Lenksäule im Crashfall erfolgt dabei insbesondere wieder – unter vorteilhafter Funktionsintegration – mittels derselben Gleitschnittstelle zwischen Führungsrohr und Mantelrohr und mittels derselben Kraftübertragungskette Führungsrohr -> Energieabsorbereinrichtung -> Gewindespindel, über welche auch die Axialverstellung im Normalbetrieb der Lenksäule erfolgt. Die im Stand der Technik häufig erforderliche separate Blockierung der Stelleinheit für den Crashfall ist dabei ebenfalls nicht erforderlich, da diese dank der selbsthemmend ausführbaren Verstellspindel ohnehin gegeben ist.
Die Erfindung wird unabhängig davon verwirklicht, wie das Energieabsorberelement der Energieabsorbereinrichtung konstruktiv ausgebildet ist, solange die erforderliche Energieaufnahmekapazität gegeben ist. Beispielsweise kann das Energieabsorberelement als fluiddynamisches Bauteil ausgebildet sein.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Energieabsorberelement als unter Energieaufnahme plastisch umformbarer, im Wesentlichen U-förmiger Blechstreifen mit einem im Crashfall kontinuierlich über die Längserstreckung des Blechstreifens wandernden Rollumformbereich ausgebildet. Diese Ausführungsform hat den Vorteil der besonders kostengünstigen Realisierbarkeit des Energieabsorberelements in Form eines einfach herstellbaren Blechstreifens. Das in Form eines Blechstreifens vorliegende Energieabsorberelement hat zudem den entscheidenden Vorteil, auf einfache Weise mit unterschiedlichster Verformungscharakteristik versehen werden zu können. So kann beispielsweise durch eine variable Breite und/oder Dicke des Blechstreifens ein dementsprechend variabler Kraft-Weg-Verlauf über den Verformungsweg des Energieabsorberelements, bzw. über den Kompressionsweg der Lenksäule im Fall eines crashbedingten Aufpralls des Fahrers auf Airbag oder Lenkrad eingestellt werden. Die Lenksäule kann somit – lediglich durch modularen Austausch bzw. Auswahl des passenden Blechstreifen-Energieabsorberelements mit geeigneter Verformungscharakteristik, und damit unter geringsten Kosten – an die unterschiedlichsten Einbaubedingungen bzw. Fahrzeugklassen angepasst werden.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass das als U-förmiger Blechstreifen ausgebildete Energieabsorberelement, bzw. zumindest der Rollumformbereich des Energieabsorberelements, in einem Führungskasten angeordnet ist. Vorzugsweise entspricht dabei die entlang des Verformungswegs des Energieabsorberelements gemessene Länge des Führungskastens mindestens der Länge des Verformungswegs, den der Rollumformbereich des Energieabsorberelements bei der crashbedingten Kompression der Lenksäule maximal zurücklegt. Bevorzugt bildet dabei die Innenkontur des Führungskastens eine Längsführung für den Rollumformbereich entlang des Verformungswegs des Rollumformbereichs bei einer crashbedingten Kompression der Lenksäule. Eine weitere besonders bevorzugte Ausprägung sieht dabei vor, dass die Innenkontur des Führungskastens den Rollumformbereich des Energieabsorberelements an allen vier Längsseiten des Energieabsorberelements einschließt.
Dank des Führungskastens lässt sich der Rollumformbereich des Energieabsorberelements somit längsseits zuverlässig einschließen und – im Fall der crashbedingten Kompression der Lenksäule – so führen, dass der konstruktiv vorgesehene Kraft-Weg-Verlauf sehr genau reproduziert werden kann, was Voraussetzung für das optimale Zusammenwirken der verschiedenen Energieabsorptionssysteme des Kraftfahrzeugs ist. Durch das Einfassen der vier Längsseiten des Energieabsorberelements wird eine Zwangsführung desselben bereitgestellt, die im Crashfall ein ungewolltes Ausbrechen des Energieabsorberelements aus dem Führungskasten verhindert. Diese Zwangsführung ermöglicht im Crashfall einen Abbau der Aufprallenergie durch ein kontinuierliches Wandern bzw. Abrollen des Rollumformbereichs über die Längserstreckung des Blechstreifens. Ein zusätzliches Umlenkelement, über das das als U-förmig angeordneter Blechstreifen ausgebildete Energieabsorberelement geleitet werden muss – beispielsweise ein quer zur Längsverstellrichtung angeordneter Bolzen – ist nicht erforderlich. Auch kommt die Ausführungsform mit einem Führungskasten und dem darin angeordneten Energieabsorberelement dem erfindungsgemäß modularen Aufbau der Energieabsorbereinrichtung entgegen.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass das Energieabsorberelement, also vorzugsweise der U-förmige Blechstreifen, unmittelbar am Führungsrohr angeordnet und/oder unmittelbar mit dem Führungsrohr verbunden ist. Eine direkte Verbindung zwischen Führungsrohr und Energieabsorberelement, die bei dieser Ausführungsform beispielsweise in Form einer kostengünstigen Vernietung dargestellt sein kann, erleichtert die konstruktiv einfache Realisierung der Energieabsorbereinrichtung und deren platzsparende Anordnung unmittelbar am Führungsrohr.
Vorzugsweise ist das Energieabsorberelement dabei zudem mittels des Führungskastens mit dem führungsrohrseitigen Ende der Gewindespindel der Stelleinheit verbunden. Diese Ausführungsform hat den zusätzlichen Vorteil, dass mit nur einem einzigen Verbindungselement, beispielsweise mit nur einer Schraube, sowohl die Verbindung von Energieabsorberelement, Führungskasten und Spindel, als auch zudem die Montage des Führungskastens erfolgen kann.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht eine Langlochausnehmung in der Wandung des Mantelrohrs vor, wobei die Breite der Langlochausnehmung quer zur Mantelrohr-Längsachse der Breite des Führungskastens entspricht. Die in der Wandung des Mantelrohrs angeordnete Langlochausnehmung dient der – relativ zum Mantelrohr beweglichen – Aufnahme des Führungskastens, so dass der Führungskasten auf diese Weise das Mantelrohr in der Langlochausnehmung durchragt. Auf diese Weise findet eine weitere Funktionsintegration bezüglich des Führungskastens statt, der dank dieser Ausführungsform insbesondere die zusätzliche Aufgabe der torsionalen Fixierung des Mantelrohrs im Führungsrohr übernehmen kann.
Die Länge der Langlochausnehmung entlang der Längsachse der Lenksäule ist dabei so gewählt, dass die Längenveränderung der Lenksäule im Betriebsfall, ebenso wie im Fall der crashbedingten Kompression der Lenksäule, gewährleistet ist. Sowohl im Betriebsfall als auch im Crashfall sorgt somit die seitliche Anlage des Führungskastens an den Längsseiten der Langlochausnehmung dafür, dass eine Rotation des Führungsrohrs im Mantelrohr unterbleibt.
Vorzugsweise sind dabei die Längsseiten der Langlochausnehmung als Abkantungen der Mantelrohr-Wandung ausgebildet. Auf diese Weise ergibt sich eine größere Anlagefläche zwischen den Längsseiten der Langlochausnehmung im Mantelrohr und den Längsseiten des Führungskastens sowie eine höhere Stabilität der Kanten der Langlochausnehmung, und damit eine besonders zuverlässige Führung des Führungskastens in der Langlochausnehmung des Mantelrohrs.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung schließlich sieht vor, dass der Führungskasten einen im Wesentlichen C-förmig offenen Querschnitt aufweist. Dabei sind im Befestigungsbereich des Energieabsorberelements am Führungsrohr Führungsflächen angeordnet, an denen die gegenüberliegenden Längskanten des C-förmig offenen Führungskastens zur Anlage kommen, wenn der Führungskasten am Führungsrohr montiert ist. Die Führungsflächen können dabei wahlweise am Führungsrohr selbst, an einem Verbindungsadapter zur Befestigung des Energieabsorberelements am Führungsrohr, oder aber am Energieabsorberelement selbst (in dessen Befestigungsbereich am Führungsrohr) angeordnet sein.
In jedem Fall sorgen die Führungsflächen gemäß dieser Ausführungsform dafür, dass sich – rotationsbezogen, über die Kraftflusskette "Führungsrohr, Führungsflächen, Führungskasten, Langlochausnehmung, Mantelrohr" – eine besonders spielarme, exakte Führung des Führungsrohrs im Mantelrohr ergibt. Zusätzliche Maßnahmen zur rotatorischen Fixierung des Führungsrohrs im Mantelrohr können somit entfallen, wodurch sich der Grad der Funktionsintegration der erfindungsgemäßen Kraftfahrzeuglenksäule mit Vorteil weiter erhöhen lässt.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand lediglich Ausführungsbeispiele darstellender Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt:
1: in isometrischer Darstellung eine verstellbare Lenksäule eines Kraftfahrzeugs mit Verstell- und Energieabsorbereinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
2: Stelleinheit und Energieabsorbereinrichtung der verstellbaren Lenksäule gemäß 1 in teilweise geschnittener Darstellung bei entferntem Mantelrohr;
3: als vergrößerten Ausschnitt die Energieabsorbereinrichtung der verstellbaren Lenksäule gemäß 1 und 2 in einer 2 entsprechenden Darstellung;
4: in schräger Untersicht die Lenksäule gemäß 1 bei entferntem Mantelrohr in teilweise geschnittener Darstellung im Betriebszustand;
5: als vergrößerten Ausschnitt die Energieabsorbereinrichtung der verstellbaren Lenksäule gemäß 1 bis 4 in einer 4 entsprechenden Darstellung;
6: die Lenksäule gemäß 1 bis 4 in einer 4 entsprechenden Darstellung im gecrashten (axial komprimierten) Zustand;
7: als vergrößerten Ausschnitt die Energieabsorbereinrichtung in einer 5 entsprechenden Darstellung, im gecrashten Zustand gemäß 6;
8: in einer Explosionsdarstellung die Energieabsorbereinrichtung der Lenksäule gemäß 1 bis 7; und
9: die Energieabsorbereinrichtung gemäß 8 im montierten Zustand.
1 zeigt eine verstellbare Lenksäule 1, 2, 3 eines Kraftfahrzeugs mit einer Verstelleinrichtung, wobei die Verstelleinrichtung insbesondere die servomotorischen Stelleinheiten 4, 5 umfasst.
Man erkennt zeichnungsbezogen rechts zunächst das Ende einer Lenkwelle 1 zur Montage eines (nicht dargestellten) Lenkrads. Die Lenkwelle 1 ist drehbar in einem Führungsrohr 2 gelagert, wobei das Führungsrohr 2 wiederum in einem Mantelrohr 3 aufgenommen ist. Die Längsverstellung 6 der Lenksäule erfolgt dabei durch axiales Verschieben des Führungsrohrs 2 mit der darin gelagerten Lenkwelle 1 gegenüber dem Mantelrohr 3 mittels der Stelleinheit 4, während die Winkelverstellung der Lenksäule (bzw. Höhenverstellung 7 des Lenkrads) durch die weitere Stelleinheit 5 erfolgt, indem die gesamte Lenksäule mittels der Hebeleinheit 8 um die Achse 9 der schwenkbar an die Karosserie montierten Konsole 10 verschwenkt wird.
Die Längsverstellung 6 des Führungsrohrs 2 im Mantelrohr 3 mittels der Stelleinheit 4 erfolgt durch servomotorische Längsverstellung der Aktuatorspindel 11, wie mittels des Doppelpfeils 6 bei Bezugsziffer 14 angedeutet. Das führungsrohrseitige (zeichnungsbezogen rechte) Ende der Aktuatorspindel 11 ist dabei über eine Energieabsorbereinrichtung 12 mit dem Führungsrohr 2 verbunden. Die Energieabsorbereinrichtung 12 ist hierzu am Führungsrohr 2 montiert, und durchgreift eine (in 1 der besseren Erkennbarkeit halber schattiert hinterlegte) Langlochausnehmung 13 des Mantelrohrs 3.
Von der Energieabsorbereinrichtung ist in 1 primär der Führungskasten 14 erkennbar, in welchem das eigentliche Energieabsorberelement 16 angeordnet ist, vgl. hierzu insbesondere die Explosionsdarstellung in 8. Da der Führungskasten 14 einerseits an das Lenksäulen-Führungsrohr 2 gekoppelt ist (s. Beschreibung zu 7 und 8), und andererseits von Abkantungen 15 längsseits im Mantelrohr 3 geführt wird, wobei die Abkantungen 15 die Ränder der Langlochausnehmung 13 des Mantelrohrs 3 darstellen, erfüllt der Führungskasten 14 (neben seiner Funktion im Rahmen der Energieabsorbereinrichtung 12) gleichzeitig die Funktion der rotatorischen Fixierung und Führung des Führungsrohrs 2 im Mantelrohr 3.
2 zeigt nochmals die Stelleinheit 4 für die Axialverstellung 6 der Lenksäule, während in 3 die Energieabsorbereinrichtung 12 der Stelleinheit 4 vergrößert im Ausschnitt dargestellt ist. Sowohl in 2 als auch in 3 ist der besseren Übersichtlichkeit halber das Mantelrohr 3 entfernt, und das Führungsrohr 2 größtenteils weggeschnitten. In den 2 und 3 ebenso geschnitten dargestellt ist die Energieabsorbereinrichtung 12 selbst.
Man erkennt in 3 somit die Energieabsorbereinrichtung 12, die insbesondere den (geschnitten dargestellten) Führungskasten 14 und das im Führungskasten 14 angeordnete Energieabsorberelement 16 umfasst. Das Energieabsorberelement ist als U-förmiger Blechstreifen 16 mit einem Rollumformbereich 17 ausgebildet. Mit der für die Längsverstellung 6 zuständigen Aktuatorspindel 11 ist sowohl der Führungskasten 14 als auch das Energieabsorberelement 16 mittels einer Verschraubung 18 verbunden. Andererseits ist das Energieabsorberelement 16 bei 19 mit dem Führungsrohr 2 vernietet.
Somit verläuft die Kraftübertragung im Fall der axialen Verstellung 6 der Lenksäule von der Aktuatorspindel 11 über Verschraubung 18, Führungskasten 14, Energieabsorberelement 16 mit Rollumformbereich 17 und Vernietung 19 auf das Führungsrohr 2. Im Führungsrohr 2 wiederum ist die Lenkwelle 1 mittels der rotatorischen Lagerung 20 axial fixiert, weshalb sich die axiale Verschiebung 6 der Aktuatorspindel 11 dementsprechend auf das Führungsrohr 2 und von dort über die Lagerung 20 auch auf die Lenkwelle 1 überträgt.
Die Kraftübertragung erfolgt jedoch nicht nur im Fall der axialen Verstellung 6 der Lenksäule mittels der Stelleinrichtung 4 über die Energieabsorbereinrichtung 12. Vielmehr werden auch etwaige – beispielsweise bei einem crashbedingten Aufprall des Fahrers auf Airbag oder Lenkrad auftretende – Aufprallkräfte über dieselbe Kraftübertragungskette 1, 20, 19, 16, 17, 14, 18, 11 in die Stelleinheit 4 und damit über die Konsole 10 (vgl. 1 und 2) in die Karosserie eingeleitet. Das Energieabsorberelement 16 dient damit sowohl (im Normalbetrieb der Lenksäule) der Kraftübertragung bei Verstellung 6 der Lenksäule, ferner – ebenfalls im Normalbetrieb – der Fixierung der Lenksäule über die in diesem Fall stillstehende Aktuatorspindel 11 in Axialrichtung, als auch schließlich der Kraftübertragung (unter Energieabbau) bei einem insbesondere crashbedingten Aufprall des Fahrers auf Airbag bzw. Lenkrad.
4 zeigt die Lenksäule gemäß 1 mit der Stelleinheit 4 zur Längsverstellung 6, ebenfalls (wie in 2 und 3) wieder mit entferntem Mantelrohr 3, wobei auch Energieabsorbereinrichtung 12 und Führungsrohr 2 wieder geschnitten dargestellt sind, während 5 die Energieabsorbereinrichtung 12 gemäß 4 nochmals in einer Ausschnittsvergrößerung zeigt.
6 bzw. 7 entsprechen jeweils den Darstellungen der 4 bzw. 5 mit dem Unterschied, dass die Lenksäule in den 6 und 7 im gecrashten Zustand – bzw. im aufprallbedingt komprimierten Zustand – dargestellt ist, während 4 und 5 die Lenksäule jeweils im Betriebszustand zeigen. In den 4 bis 7 ist das Energieabsorberelement 16 der besseren Erkennbarkeit halber dabei jeweils schwarz hinterlegt dargestellt.
In den 4 bis 7 wird insbesondere nochmals die Kraftübertragungskette deutlich, die von der (zeichnungsbezogen rechts angeordneten) Lenkradbefestigung über die Lenkwelle 1 (die über die Lagerung 20 axial starr mit dem Führungsrohr 2 verbunden ist) über das Führungsrohr 2 sowie anschließend über Vernietung 19, Energieabsorberelement 16 mit Rollumformbereich 17, Führungskasten 14, Verschraubung 18, Aktuatorspindel 11 und Stelleinheit 4 auf die Konsole 10 (vgl. 1 und 2) und damit auf die Karosserie verläuft.
Gemäß der Darstellung in den 4 und 5 dient das Energieabsorberelement 16 dabei im Normalbetrieb der Lenksäule der Kraftübertragung sowie Fixierung ebenso wie der Verstellung 6 der Lenksäule in Längsrichtung (mittels Stelleinheit 4 und Aktuatorspindel 11), während das Energieabsorberelement 16 gemäß der Darstellung in den 6 und 7 den axialen Kompressionsweg 21 der Lenksäule im Crashfall bereitstellt und die dabei anfallende Crashenergie aufnimmt.
Die Aufnahme und Führung des Energieabsorberelements 16 – insbesondere dessen Rollumformbereich 17 – im Führungskasten 14 ist vorteilhaft insbesondere im Hinblick auf eine genaue und reproduzierbare Einhaltung der erforderlichen Kraft-Weg-Verläufe bei einer crashbedingten Verformungsbewegung 21 der Lenkwelle 1 relativ zu Stelleinheit 4 bzw. Karosseriebefestigung 10 (vgl. 1 und 2). Insbesondere die Zusammenschau der 5 und 7 ergibt diesbezüglich, auf welche Weise der Rollumformbereich 17 bei der crashbedingten Kompression 21 der Lenksäule im Führungskasten 14 – unter gleichbleibendem Biegeradius – geführt wird. Die Führung im Führungskasten 14 ist dabei auch vorteilhaft insofern, als hierdurch die beim Stand der Technik teilweise vorzufindenden, eigens notwendigen Wellen zur Führung und Beibehaltung des Biegeradius des Rollumformbereichs 17 bei der Umformung des Energieabsorberelements 16 entfallen können.
Die 8 und 9 zeigen in vergrößerter Darstellung nochmals den Verbindungsbereich zwischen Aktuatorspindel 11, Führungskasten 14 mit Energieabsorberelement 16 und Führungsrohr 2 der Lenksäule. Man erkennt insbesondere den C-förmig offenen Querschnitt des Führungskastens 14, ferner die Verbindung zwischen Aktuatorspindel 11, Führungskasten 14 und Energieabsorberelement 16 mittels der Verschraubung 18, sowie die Vernietung 19 des Energieabsorberelements 16 mit dem Führungsrohr 2.
Die Vernietung 18 verbindet bei der dargestellten Ausführungsform gleichzeitig einen Verbindungsadapter 22 mit Energieabsorberelement 16 und Führungsrohr 2. Der Verbindungsadapter 22 stellt dabei einerseits bei 23 Gleitführungsflächen bereit, an denen die gegenüberliegenden Längskanten 24 des C-förmig offenen Führungskastens 14 zur Anlage gebracht werden, sowie andererseits Gleitplättchen 25 zur Anlage an den Längsseiten der Langlochausnehmung 13 im Mantelrohr 3 (s. 1) einerseits, und an den Längsseiten des Führungskastens 14 andererseits (s. 9).
Aufgrund der Gleitführungsflächen bei 23 wird der Führungskasten 14 in Umfangsrichtung des Führungsrohrs 2 weitestgehend spielfrei gegenüber dem Führungsrohr 2 fixiert, während die Gleitplättchen 25 ihrerseits wiederum den Führungskasten 14 gegenüber den Abkantungen 15 der Langlochausnehmung 13 im Mantelrohr 3 in Umfangsrichtung weitestgehend spielfrei sowie in Axialrichtung (im Fall der Längsverstellung 6) leichtgängig führen. Auf diese Weise erfüllt die Energieabsorbereinrichtung 12 – zusätzlich zur Aufgabe der axialen Kraftübertragung im Betriebsfall ebenso wie im Crashfall – ferner auch noch die Aufgabe der torsionalen Verbindung bzw. Führung zwischen Führungsrohr 2 und Mantelrohr 3 (vgl. auch 1).
Im Ergebnis wird somit deutlich, dass mit der Erfindung eine verstellbare Kraftfahrzeuglenksäule mit Energieabsorbereinrichtung geschaffen wird, bei der die Energieabsorbereinrichtung – unter Entfall einer zusätzlichen, eigenen Gleitschnittstelle für die Crashkompression der Lenksäule – vollständig in die Verstelleinrichtung integriert wird, wodurch Verstelleinrichtung und Energieabsorbereinrichtung mit einem Minimum an Bauteilen, Bauraum, Baugruppenmasse sowie konstruktivem und Kostenaufwand auskommen. Die Energieabsorbereinrichtung ist dabei gleichzeitig auch modular, das heißt als eigenständige Baugruppe ausgebildet und angeordnet bzw. austauschbar, wodurch die Lenksäule – im Sinne eines modularen Baukastensystems – mit geringstmöglichem Aufwand an die Einbaubedingungen bei unterschiedlichsten Fahrzeugen bzw. Fahrzeugklassen angepasst werden kann.
Bezugszeichenliste

1: Lenkwelle
2: Führungsrohr
3: Mantelrohr
4: Stelleinheit
5: Stelleinheit
6: Längsverstellrichtung
7: Lenksäulen-Winkelverstellung, Lenkrad-Höhenverstellung
8: Hebeleinheit
9: Schwenkachse
10: Konsole
11: Aktuatorspindel
12: Energieabsorbereinrichtung
13: Mantelrohr-Langlochausnehmung
14: Führungskasten
15: Langloch-Abkantungen
16: Energieabsorberelement
17: Rollumformbereich
18: Verschraubung
19: Vernietung
20: Lenkwellen-Lagerung
21: Crash-Kompressionsweg
22: Verbindungsadapter
23: Gleitführungsfläche
24: Längskante
25: Gleitplättchen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 856452 B1 [0009]
DE 102006013085 B3 [0012]
DE 102004051060 B3 [0012]

Claims

Längsverstellbare Kraftfahrzeuglenksäule mit Verstelleinrichtung (4, 5) und Mantelrohr (3) sowie im Mantelrohr (3) verschiebbarem Führungsrohr (2), die Verstelleinrichtung (4, 5) umfassend eine Stelleinheit (4) zur Verstellung (6) und Fixierung des Führungsrohrs (2) relativ zum Mantelrohr (3) entlang der Verstellrichtung (6), sowie eine Energieabsorbereinrichtung (12) mit einem unter Energieaufnahme umformbaren Energieabsorberelement (16) zur Absorption von Aufprallenergie, wobei die Fixierung des Führungsrohrs (2) durch die Stelleinheit (4) mittels Kraftfluss zwischen Führungsrohr (2) und Stelleinheit (4) erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieabsorbereinrichtung (12) als eigenständige Baugruppe ausgebildet und in Reihe innerhalb des Kraftflusses unmittelbar zwischen Führungsrohr (2) und Stelleinheit (4) angeordnet ist.
Kraftfahrzeuglenksäule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stelleinheit (4) einen motorischen Aktuator umfasst.
Kraftfahrzeuglenksäule nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stelleinheit (4) eine Gewindespindel (11) zur Verstellung (6) umfasst.
Kraftfahrzeuglenksäule nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Energieabsorberelement (16) als im Wesentlichen U-förmiger Blechstreifen (16) mit einem unter Energieaufnahme plastisch umformbaren Rollumformbereich (17) ausgebildet ist.
Kraftfahrzeuglenksäule nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der Rollumformbereich (17) des Energieabsorberelements (16) in einem Führungskasten (14) angeordnet ist.
Kraftfahrzeuglenksäule nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenkontur des Führungskastens (14) eine Längsführung für den Rollumformbereich (17) des Energieabsorberelements (16) bildet.
Kraftfahrzeuglenksäule nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenkontur des Führungskastens (14) den Rollumformbereich (17) des Energieabsorberelements (16) an vier Längsseiten einschließt.
Kraftfahrzeuglenksäule nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge des Führungskastens (14) entlang des Verformungswegs des Rollumformbereichs (17) zumindest dem maximalen Verformungsweg des Rollumformbereichs (17) entspricht.
Kraftfahrzeuglenksäule nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Energieabsorberelement (16) unmittelbar am Führungsrohr (2) angeordnet und/oder unmittelbar mit dem Führungsrohr (2) verbunden ist.
Kraftfahrzeuglenksäule nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Energieabsorberelement (16) mittels des Führungskastens (14) mit dem führungsrohrseitigen Ende der Gewindespindel (11) der Stelleinheit (4) verbunden ist.
Kraftfahrzeuglenksäule nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch eine Langlochausnehmung (13) in der Wandung des Mantelrohrs (3) zur relativbeweglichen Aufnahme des Führungskastens (14), wobei die Breite der Langlochausnehmung (13) quer zur Mantelrohr-Längsachse der Breite des Führungskastens (14) entspricht.
Kraftfahrzeuglenksäule nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsseiten der Langlochausnehmung (13) als Abkantungen (15) der Mantelrohr-Wandung ausgebildet sind.
Kraftfahrzeuglenksäule nach einem der Ansprüche 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Führungskasten (14) einen im Wesentlichen C-förmig offenen Querschnitt aufweist, wobei im Befestigungsbereich des Energieabsorberelements (16) am Führungsrohr (2) Gleitführungsflächen (23) angeordnet sind, an denen die gegenüberliegenden Längskanten (24) des C-förmig offenen Führungskastens (14) zur Anlage gebracht sind.