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Die Erfindung betrifft ein Knautschelement für eine Sicherheitslenksäule mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1, mit axial endseitigen ersten und zweiten Anschlussabschnitten zur Verbindung mit angrenzenden Lenksäulenteilen, sowie einem dazwischen angeordneten durchbrochenen Knautschabschnitt, welcher durch eine axial wirkende Schwellkraft deformierbar ist.
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Sicherheitslenksäulen werden in Kraftfahrzeugen eingesetzt, um die Sicherheit des Fahrers bei Frontalzusammenstößen zu erhöhen. Durch die Sicherheitslenksäule soll verhindert werden, dass Teile der Lenksäule und insbesondere das Lenkrad in den Fahrerraum hineingeschoben werden. Um dies zu realisieren, sind unterschiedliche, in der Regel passive, Mechanismen bekannt. Ein Ansatz besteht darin, die Lenksäule als Teleskoplenksäule auszubilden, bei der ein Teil der Lenksäule in einen anderen Teil der Lenksäule eingreift und bei Überschreiten einer vorgesehenen Schwellkraft teleskopartig in diesen eingeschoben werden kann, wodurch sich die Gesamtlänge der Lenksäule verringert. Die beiden Teile können bspw. über ein Verbindungselement miteinander verbunden sein, das derart ausgelegt ist, dass es bei Überschreiten der Schwellkraft nachgibt.
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Alternativ oder ergänzend hierzu können Knautschelemente vorgesehen sein, die durch eine Kraft, die oberhalb eines Schwellwerts liegt, deformiert und in Längsrichtung der Lenksäule zusammengedrückt werden. Hierdurch wird neben einer effektiven Verkürzung der Lenksäule auch eine Energieabsorption erreicht. Während ein entsprechendes Knautschelement bei Einwirken einer hinreichend starken axialen Kraft zuverlässig nachgeben soll, muss gleichzeitig eine Übertragung eines Drehmoments innerhalb der Lenksäule gewährleistet werden. Dafür muss entweder das Knautschelement selbst hinreichend torsionssteif gegenüber Drehmomenten sein oder die Drehmomentübertragung muss über andere Bauteile erfolgen.
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Moderne Sicherheitslenksäulen sind funktionell effektiv, allerdings oftmals komplex aufgebaut und bestehen aus einer Mehrzahl von zusammenwirkenden Teilen. Hierdurch erhöhen sich Kosten und Zeitaufwand für die Konstruktion. Außerdem ist durch die hohe Anzahl an Teilen und die Komplexität eine mögliche Reparatur der Lenksäule teuer und aufwändig.
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Die
EP 0 091 671 A2 offenbart eine gattungsgemäße Sicherheitslenksäule mit einem starren Lenksäulenabschnitt und einem beim Zusammenstauchen der Lenksäule nachgiebigen, eine Gitterstruktur aufweisenden Rohrteil, sowie mit an beiden Enden vorgesehenen Anschlussteilen zum krafteinleitenden Anschließen eines Lenkrades und eines Lenkgetriebes. Das Rohrteil ist zusammen mit dem Lenksäulenabschnitt einstückig aus faserverstärktem Kunststoff gebildet. Die Gitterstruktur kann insbesondere durch Stege gebildet sein, die einander überkreuzen und in einem Winkel von 55° zur Längsachse des Rohrteils verlaufen.
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In der
US 4 465 301 A ist eine Sicherheitslenksäule offenbart, in die ein in etwa rohrförmiges Sicherheitselement eingefügt ist, das aus einander kreuzenden Strängen von faserverstärktem Kunststoff besteht und bspw. einen runden oder achteckigen Querschnitt haben kann. Bei einem Unfall ist vorgesehen, dass das Sicherheitselement in Längsrichtung zusammengedrückt wird, während es Drehmomenten bei Lenkbewegungen widersteht.
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Die
GB 1 125 206 A zeigt eine Sicherheitslenksäule, bei der ein insgesamt rohrähnliches Sicherheitselement mit einer durchbrochenen Struktur aus Metall vorgesehen ist. Hierbei werden entweder schraubenlinienförmig entgegengesetzt gewundene Metallstreifen miteinander verschweißt oder es wird ein Rohr aus einem durchbrochenen Blech gefertigt. Eine ähnliche Sicherheitslenksäule ist in der
US 3 500 698 A gezeigt.
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Die
US 4 634 399 A offenbart ein Bauteil zum Übertragen von Drehmomenten zwischen zwei Wellen, bspw. innerhalb einer Lenksäule. Dabei ist ein gitterartiger Mantel im Abstand um einen durchgehenden Kern angeordnet. Der Mantel ist aus einander überkreuzenden Strängen aus faserverstärktem Kunststoff gebildet.
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In der
WO 2015/053940 A1 ist ein Bauteil offenbart, das bspw. in Flugzeugen oder Kraftfahrzeugen eingesetzt werden kann. Um eine Reduzierung von Spannungen und eine verbesserte Energieaufnahme zu erreichen, ist vorgesehen, dass das Bauteil in einem additiven Fertigungsverfahren mit einer durchbrochenen Innenstruktur gefertigt wird. Diese Innenstruktur ist einstückig mit den äußeren Teilen des Bauteils gefertigt.
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Die
WO 2015/164663 A1 offenbart eine Energie absorbierende Zelle mit einem ersten Strukturelement sowie einem hiervon beabstandeten, parallel ausgerichteten zweiten Strukturelement. Die Strukturelemente sind über Zwischenelemente verbunden, die im Winkel zueinander angeordnet sind. Die Energieabsorption beruht vornehmlich auf einer Verformung der Zwischenelemente. Durch Wiederholung dieser Zellenstruktur können Energie absorbierende Teile unterschiedlicher Größe hergestellt werden, insbesondere durch additive Fertigungsverfahren.
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Des Weiteren sind im Stand der Technik verschiedene Sicherheitslenksäulen bekannt, die im Wesentlichen nach Art einer Teleskoplenksäule auf zwei teleskopisch ineinandergreifenden Lenksäulenteilen basieren, wobei durch das Ineinanderschieben der beiden Teile eine Verformung eines Energie absorbierenden Elements erfolgt.
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So zeigt die
US 3 401 576 A eine Sicherheitslenksäule mit zwei teleskopisch ineinandergreifenden Teilen, die insgesamt von einer Manschette aus Metall umschlossen sind, die nach Art eines Wellenrohrs geformt ist und bei einem Unfall unter Energieaufnahme zusammengedrückt wird.
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In der
US 3 461 740 A ist eine Sicherheitslenksäule mit einer Kopplungsanordnung beschrieben, bei der ein lenkerfernes erstes Teil mit einem kegelstumpfförmigen Ende in ein lenkerseitiges zweites Teil eingreift. Übersteigt die axiale Kraft zwischen den beiden Teilen einen bestimmten Schwellwert, wird das erste Teil unter Verformung des zweiten Teils in dieses hineingedrückt, wodurch die Lenksäule verkürzt wird.
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Die
US 3 590 655 A offenbart eine Sicherheitslenksäule mit unterschiedlichen Energieabsorptionseinheiten. Bei einer ersten Energieabsorptionseinheit ist eine Mehrzahl von Kugeln zwischen zwei konzentrisch umeinander angeordneten zylindrischen Elementen angeordnet. Bei einer zweiten Energieabsorptionseinheit weist ein zylindrisches Element einen gitterartig durchbrochenen Abschnitt auf, der aus einander kreuzenden Streifenabschnitten aufgebaut ist.
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Die
US 3 740 068 A zeigt eine Sicherheitslenksäule, bei der ebenfalls zwei Teile teleskopisch ineinandergreifen, wobei ein außenseitig angeordnetes Energieabsorptionselement aus teilweise durchbrochenen, abgewinkelten Blechteilen aufgebaut ist.
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Eine in der
US 3 835 725 A offenbarte Sicherheitslenksäule umfasst einen oberen und einen unteren Abschnitt, die teleskopisch ineinandergreifen und über ein konzentrisch angeordnetes Metallrohr miteinander verbunden sind. Übersteigt eine axiale Kraft zwischen den beiden Abschnitten einen Grenzwert, wird das Metallrohr unter Verformung zusammengedrückt und die Abschnitte werden ineinandergeschoben.
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Die
US 4 411 167 A zeigt eine Sicherheitslenksäule, bei der zwei Teile der Lenksäule über eine Mehrzahl von Elementen aneinandergekoppelt sind, die zum Teil teleskopisch ineinandergreifen und durch Kunststoffstäbe miteinander verbunden sind. Bei Überschreiten einer bestimmten Axialkraft bricht der jeweilige Kunststoffstab und die Elemente werden ineinandergeschoben. Schließlich ist sogar die vollständige Abtrennung der zwei Teile voneinander möglich.
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Bei einer in der
US 7 644 951 B2 gezeigten Sicherheitslenksäule greift ein inneres Rohrteil in ein äußeres Rohrteil ein. Das innere Rohrteil weist in axialem Abstand zum äußeren Rohrteil einen aufgeweiteten Abschnitt auf. Zwischen diesem Abschnitt und dem äußeren Rohrteil ist das innere Rohrteil von einem Kunststoffrohr umgeben, das verformt wird, wenn eine Axialkraft einen Schwellwert übersteigt, wobei das innere Rohrteil in das äußere Rohrteil hineingeschoben wird.
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Die
US 5 342 091 A zeigt eine Sicherheitslenksäule, bei der ein massives inneres Teil in ein rohrförmiges äußeres Teil eingreift. Durch eine Querbohrung des inneren Teils ist ein Stift geschoben, der beidseitig überragt und ein rohrförmiges Energieabsorptionselement abstützt. Wird das innere Teil in das äußere Teil eingeschoben, kommt das Energieabsorptionselement in Kontakt mit dem äußeren Teil und wird dadurch gestoppt, wobei der Stift unter Verformung des Energieabsorptionselements an dessen Innenseite verschoben wird.
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Angesichts des aufgezeigten Standes der Technik bietet die Bereitstellung einer zuverlässigen, konstruktiv einfachen Sicherheitslenksäule noch Raum für Verbesserungen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine zuverlässige, konstruktiv einfache Sicherheitslenksäule zur Verfügung zu stellen. Insbesondere sollte die Zahl der Einzelteile möglichst gering gehalten werden.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Knautschelement für eine Sicherheitslenksäule mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst, wobei die Unteransprüche vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung betreffen.
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Es ist darauf hinzuweisen, dass die in der nachfolgenden Beschreibung einzeln aufgeführten Merkmale sowie Maßnahmen in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren zusätzlich.
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Durch die Erfindung wird ein Knautschelement für eine Sicherheitslenksäule zur Verfügung gestellt. Statt von einem Knautschelement könnte man auch von einem Crashelement oder Sicherheitselement sprechen. Selbstverständlich ist eine solche Sicherheitslenksäule normalerweise in einem Kraftfahrzeug, insbesondere einem PKW, vorgesehen. Wie bereits oben diskutiert, soll durch die Sicherheitslenksäule verhindert werden, dass bei einem Frontalzusammenstoß Teile der Lenksäule oder des Lenkrades in den Fahrerraum hineingedrückt werden.
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Das Knautschelement weist axial endseitige erste und zweite Anschlussabschnitte zur Verbindung mit angrenzenden Lenksäulenteilen auf, sowie einen dazwischen angeordneten durchbrochenen Knautschabschnitt. Die axiale Richtung entspricht hierbei im zusammengebauten Zustand der Erstreckungsrichtung der Lenksäule, wenigstens in dem Abschnitt, in dem das Knautschelement eingebaut wird. Durch die axiale Richtung sind auch die nachfolgend noch erwähnte radiale und tangentiale Richtung festgelegt. Das Knautschelement kann abschnittsweise wenigstens annähernd symmetrisch zur axialen Richtung ausgebildet sein. In aller Regel weist es entlang der axialen Richtung seine größte Ausdehnung auf bzw. ist in axialer Richtung langgestreckt. Der erste und der zweite Anschlussabschnitt dienen zur Verbindung mit anderen Teilen der Lenksäule, die sich in zusammengebautem Zustand in axialer Richtung beiderseits anschließen. Eine entsprechende Verbindung kann z. B. durch Verschrauben hergestellt werden, wozu der entsprechende Anschlussabschnitt ein Innen- oder Außengewinde sowie Ansatzflächen für einen Schraubenschlüssel oder ein anderes Werkzeug aufweisen kann. Allgemein kann wenigstens ein Anschlussabschnitt Mittel zur formschlüssigen Verbindung mit einem angrenzenden Lenksäulenteil aufweisen.
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Während die Anschlussabschnitte zur Verbindung mit anderen Teilen dienen, dient der zwischen den Anschlussabschnitten liegende Knautschabschnitt bei einem Unfall dazu, einerseits zur Verkürzung der Lenksäule beizutragen und andererseits durch Deformation Energie aufzunehmen. Aus diesem Grund ist der Knautschabschnitt durch eine axial wirkende Schwellkraft deformierbar. Die Schwellkraft ist hierbei eine axial wirkende Kraft entsprechend einem vorgesehenen Schwellwert, der so ausgewählt ist, dass er beim normalen Betrieb des Fahrzeugs nicht überschritten wird, sondern nur bei einem Frontalzusammenstoß, der sich auf die Lenksäule auswirkt. Überschreitet eine axial wirkende Kraft diesen Schwellwert, erfolgt eine Deformation des Knautschabschnitts. Diese Deformation beinhaltet selbstverständlich, dass der Knautschabschnitt in axialer Richtung zusammengedrückt wird. Dies wird dadurch realisiert, dass der Knautschabschnitt durchbrochen ist, also eine durchbrochene Struktur mit Ausnehmungen aufweist. Durch die Ausnehmungen wird die Steifigkeit des Knautschabschnitts in axialer Richtung derart reduziert, dass er bei Erreichen bzw. Überschreiten der Schwellkraft planmäßig nachgibt. Demgegenüber sind die Anschlussabschnitte gegenüber der Schwellkraft normalerweise überwiegend oder vollständig deformationsfest, d. h. sie werden bei Überschreiten der Schwellkraft nicht (bzw. nicht in relevanter Weise) deformiert.
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Erfindungsgemäß ist das Knautschelement durch additive Fertigung einstückig aus Metall gefertigt. Der Begriff „Metall“ schließt hierbei auch Legierungen ein, die neben Metallen auch Halbmetalle oder Nichtmetalle enthalten. Im Rahmen der additiven Fertigung wird normalerweise metallisches Pulver schichtweise auf eine Basisfläche aufgetragen, bereichsweise aufgeschmolzen und hierdurch verbunden, wodurch nach und nach das Knautschelement gebildet wird. Die Schichtdicke kann dabei bspw. zwischen 10 µm und 500 µm liegen. Die erste Schicht wird unmittelbar auf die Basisfläche aufgetragen, wonach die weiteren Schichten sukzessive übereinander aufgetragen werden. Insbesondere kann das Verbinden des Pulvers durch selektives Laserschmelzen (SLM) oder selektives Elektronenstrahlschmelzen (SEBM) erfolgen. Selbstverständlich erfolgt das Aufschmelzen bzw. die Strahlungseinwirkung entsprechend einem bestimmten Muster. Man könnte auch sagen, dass eine vorbestimmte Fläche erhitzt bzw. bestrahlt wird. Dabei ist es möglich, dass bspw. ein Abtasten der Fläche durch einen eng fokussierten Strahl erfolgt oder aber dass auf einmal ein bestimmtes Strahlungsmuster projiziert wird. Es versteht sich, dass das räumliche bzw. zeitliche Strahlungsmuster entsprechend vorgegebener Daten (z. B. CAM-Daten) des herzustellenden Knautschelements gesteuert werden kann. Die bestrahlte Fläche entspricht hierbei einem (in aller Regel ebenen) Querschnitt des Objekts.
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Mit einer derartigen, additiven Fertigung lassen sich nahezu beliebige dreidimensionale Formen erzeugen, so dass es möglich ist, die drei o.g. Abschnitte in einem Stück zu fertigen, wobei jeder der Abschnitte im Hinblick auf seine Funktion (zuverlässige Verbindung zu anderen Lenksäulenteilen bzw. Energieabsorption) optimiert sein kann und gleichzeitig aufgrund der einstückigen Fertigung, die einem Urformen entspricht, eine zuverlässige Verbindung der Abschnitte miteinander gewährleistet ist. Wie im weiter noch erläutert wird, lassen sich hiermit auch ohne weiteres vorteilhafte Formen erzeugen, die bspw. durch Gießen oder (spanende bzw. nicht spanende) Bearbeitung nicht oder nur mit unverhältnismäßig großem Aufwand herzustellen sind. Das Knautschelement kann durch Verbindung der Anschlussabschnitte mit anderen Teilen, bspw. durch Verschrauben, in einfacher Weise in die Lenksäule eingebunden werden. Ebenso kann nach einem Unfall, bei dem der Knautschabschnitt deformiert wurde, das Knautschelement unproblematisch ausgetauscht werden, da es sich nur um ein einzelnes Bauteil handelt. Grundsätzlich lässt sich die gesamte Sicherheitsfunktion der Lenksäule durch das erfindungsgemäße Knautschelement realisieren, wodurch die Gesamtzahl der benötigten Teile niedrig gehalten werden kann. Es können aber auch andere Teile der Lenksäule zur Sicherheitsfunktion beitragen.
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Neben einer Kompression des Knautschabschnitts in axialer Richtung ist auch vorgesehen, dass der Knautschabschnitt quer zur axialen Richtung abknickt bzw. sich verbiegt. Hierdurch können Teile der Lenksäule seitlich ausweichen, was unter Sicherheitsaspekten unter Umständen Vorteile gegenüber einem einfachen Zusammendrücken hat. Ein solches Abknicken kann insbesondere durch die Ausgestaltung des Bereichs, in dem der Knautschabschnitt in einen der Anschlussabschnitte übergeht, eingeleitet oder beeinflusst werden. Ebenfalls erfindungsgemäß weist ein dem Knautschabschnitt zugewandter Endbereich des ersten Anschlussabschnitts einen ersten Abschnitt auf, der im Verhältnis zu einem quer zur axialen Richtung gegenüberliegenden zweiten Abschnitt axial vorspringt. Der Endbereich könnte auch als Übergangsbereich vom ersten Anschlussabschnitt zum Knautschabschnitt bezeichnet werden. Es handelt sich jedenfalls um den Bereich, in dem der Anschlussbereich endet und wo sich der Knautschabschnitt anschließt. Dieser Endbereich ist asymmetrisch ausgestaltet, wobei der erste Abschnitt axial vorspringt (und der Knautschabschnitt dort entsprechend axial zurückweicht), und zwar im Vergleich zu dem zweiten Abschnitt, der dem ersten Abschnitt quer zur axialen Richtung gegenüber liegt. Soweit sich eine axial verlaufende Mittelachse des ersten Anschlussabschnitts bzw. des gesamten Knautschelements definieren lässt, liegen der erste und der zweite Abschnitt einander bezüglich dieser Mittelachse gegenüber. Das Ergebnis dieser Ausgestaltung ist, dass beim axialen Stauchen des Knautschabschnitts derjenige Teil, der dem ersten Abschnitt zugeordnet ist, zu einem früheren Zeitpunkt vollständig komprimiert ist als derjenige Teil, der dem zweiten Abschnitt zugeordnet ist. D. h., die Kompression und damit die wirkende Rückstellkraft durch den Knautschabschnitt sind asymmetrisch. Dies führt wiederum dazu, dass der Knautschabschnitt abknickt bzw. sich verbiegt, und zwar in Richtung auf die Seite des zweiten Abschnitts.
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Das oben beschriebene Vorspringen des ersten Abschnitts kann in unterschiedlicher Weise realisiert sein, bspw. stufenförmig. D. h., es können entweder nur die beiden o.g. Abschnitte oder zusätzlich dazwischen liegende weitere Abschnitte stufenförmig unterschiedlich weit in axialer Richtung vorspringen. Gemäß einer anderen bevorzugten Ausgestaltung weist der Endabschnitt zum Knautschabschnitt hin eine schräg zur axialen Richtung verlaufende Endfläche auf. Auch hier könnte man statt von einer Endfläche von einer Übergangsfläche sprechen, die den Übergang vom ersten Anschlussabschnitt zum Knautschabschnitt markiert. D. h. zumindest Teile der Endfläche entsprechen keiner physischen Oberfläche, da sich dort unmittelbar und einstückig der Knautschabschnitt anschließt. Die genannte Endfläche läuft schräg zur axialen Richtung (also weder parallel noch orthogonal hierzu), womit sich automatisch wie oben beschrieben ein asymmetrisch vorspringender erster Abschnitt ergibt. Die Endfläche kann hierbei insbesondere als Ebene ausgebildet sein, wenngleich es denkbar ist, dass sie in sich gewölbt oder abgewinkelt ist.
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Um das oben beschriebene Abknicken des Knautschabschnitts effektiv einzuleiten, sollte der Winkel zur axialen Richtung nicht zu groß (also nicht zu nah an 90°) sein, da in diesem Fall der erste Bereich nur noch geringfügig vorspringt. Auch ein zu kleiner Winkel ist im Allgemeinen nicht vorteilhaft. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung verläuft die Endfläche in einem Winkel zwischen 20° und 70°, bevorzugt zwischen 40° und 50°, zur axialen Richtung. Insbesondere kann der Winkel in etwa 45°, also zwischen 43° und 47° oder zwischen 44° und 46° bevorzugt genau 45° betragen.
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Wie bereits oben geschildert, lassen sich aufgrund der additiven Fertigung die einzelnen Abschnitte in nahezu beliebiger Weise unabhängig voneinander ausgestalten. In einer Ausführungsform ist eine radiale Außenabmessung wenigstens eines der Anschlussabschnitte größer als eine radiale Außenabmessung des Knautschabschnitts. Hierbei ist mit „radiale Außenabmessung“ jeweils die maximale Ausdehnung in radialer Richtung gemeint. Im Falle eines zylindrischen Elements wäre dies bspw. der Außenradius. Man könnte auch sagen, dass der jeweilige Anschlussabschnitt radial über den Knautschabschnitt hinausragt bzw. gegenüber diesem vorspringt. Eine derartige Dimensionierung kann bspw. dazu dienen, den Anschlussabschnitt stabiler als den Knautschabschnitt auszugestalten.
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Auch kann hierdurch verhindert werden, dass der Knautschabschnitt, wenn er stark deformiert wird, sich seitlich (also quer zur axialen Richtung) am jeweiligen Anschlussabschnitt vorbei bewegt. Dies könnte insofern nachteilig sein, als dann die weitere Deformation des Knautschabschnitts nur noch schwer durch die Anschlussabschnitte kontrollierbar wäre.
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Normalerweise ist es bevorzugt, dass die Anschlussabschnitte möglichst stabil ausgebildet sind und insoweit im Gegensatz zum Knautschabschnitt auch nicht durchbrochen sein müssen. Allerdings kann jeder der Anschlussabschnitte eine radial innenliegende Ausnehmung aufweisen, die dazu dient, einen Abschnitt eines anderen Lenksäulenteils aufzunehmen. In diesem Fall könnte das Innere der Ausnehmung Mittel zur formschlüssigen Verbindung, bspw. ein Innengewinde aufweisen. Abgesehen hiervon ist es bevorzugt, dass wenigstens einer der Anschlussabschnitte einen tangential sowie axial geschlossenen Mantel aufweist. Der Mantel kann zumindest abschnittsweise die Form eines Zylindermantels haben, wobei wie oben erwähnt, ebene Ansatzflächen für einen Schraubenschlüssel oder dergleichen vorgesehen sein können.
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Bevorzugt weist der Knautschabschnitt einen gitterartigen Mantel auf, der eine radial innen liegende, axial durchgehende Ausnehmung umgibt. Die genannte Ausnehmung geht hierbei durch den Knautschabschnitt hindurch, allerdings nicht zwangsläufig durch die angrenzenden Anschlussabschnitte. Falls eine oben erwähnte Ausnehmung eines Anschlussabschnitts durchgehend ausgebildet ist, ist sie allerdings mit der Ausnehmung des Knautschabschnitt verbunden. Der Mantel kann insbesondere zylindermantelartig ausgebildet sein, womit er durch eine innere und äußere zylindrische Fläche beschrieben werden kann. Der Mantel ist gitterartig, d. h. er weist eine Mehrzahl von in radialer Richtung durchgehenden Ausnehmungen auf.
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Gemäß einer Ausgestaltung weist der Mantel eine Mehrzahl von schräg zur tangentialen Richtung verlaufenden, einander kreuzenden Streifenabschnitten auf. Zwischen den Streifenabschnitten sind dabei selbstverständlich Ausnehmungen ausgebildet, d. h. die Streifenabschnitte sind abschnittsweise voneinander beabstandet. Sie verlaufen schräg zur tangentialen Richtung, d. h. ihre Verlaufsrichtung hat auch eine axiale Komponente. Insbesondere können die Streifenabschnitte schraubenlinienförmig ausgebildet sein, wobei eine erste Gruppe von Streifenabschnitten mit rechtem Drehsinn entlang des Mantels verläuft und eine zweite Gruppe, die mit der ersten Gruppe Kreuzungsbereiche bildet, mit linkem Drehsinn verläuft. Das Metall in den Kreuzungsbereichen kann dabei unter Umständen nicht eindeutig einem bestimmten Streifenabschnitt zugeordnet werden, soweit zwei Streifenabschnitte dort aufgrund der einstückigen Fertigung nahtlos ineinander übergehen. Je nach Betrachtungsweise kann man auch statt mehrmals umlaufenden Streifenabschnitten, die einander kreuzen, von einer entsprechend größeren Anzahl kürzerer Streifenabschnitte sprechen, die jeweils nur von einem Kreuzungsbereich zum nächsten verlaufen. Insgesamt ergibt sich eine gitterartige Struktur, die sich torsionssteif gegenüber axialen Drehmomenten (wobei also der Vektor des Drehmoments axial ausgerichtet ist) verhält, allerdings bei einer axial wirkenden Schwellkraft zuverlässig komprimierbar ist. Auch ein oben beschriebenes Abknicken lässt sich mit dieser Struktur realisieren.
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Der Winkel der Streifenabschnitte zur tangentialen Richtung kann prinzipiell unterschiedliche Werte einnehmen und kann bspw. zwischen 5° und 80° liegen, wobei der Winkel nicht für alle Streifenabschnitte gleich sein muss. Insbesondere kann wenigstens ein Teil der Streifenabschnitte in einem Winkel von höchstens 20° zur tangentialen Richtung verlaufen. Bezogen auf einen schraubenlinienförmigen Verlauf entspricht dies also einer relativ geringen Steigung. Hierdurch wird einerseits die Torsionssteifigkeit gegenüber axialen Drehmomenten verstärkt, andererseits wird der Knautschabschnitt in axialer Richtung leichter stauchbar. Trotzdem lässt sich hierbei eine Biegesteifigkeit erreichen, die gering genug ist, um das oben erwähnte Abknicken zu ermöglichen.
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Unter dem Aspekt einer erhöhten Torsionsteifigkeit ist es ebenfalls bevorzugt, dass bei wenigstens einem Teil der Streifenabschnitte eine radiale Dicke größer ist als eine axiale Dicke. D. h., die entsprechenden Streifenabschnitte sind in radialer Richtung dicker ausgebildet als in axialer Richtung. Man kann die entsprechenden Streifenabschnitte also auch als mehr oder weniger abgeflacht bezeichnen. Man könnte auch von einer rippenartigen Struktur der Streifenabschnitte sprechen. Es versteht sich, dass sich hierdurch die Torsionssteifigkeit erhöhen lässt, ohne dass sich die Steifigkeit gegenüber axialen Kräften in ähnlicher Weise vergrößert. Auch lässt sich die Biegesteifigkeit hierbei gering genug halten, um ein Abknicken des Knautschabschnitts zu ermöglichen. Es sei darauf hingewiesen, dass sich diese Ausgestaltung, insbesondere in Verbindung mit einem oben beschriebenen geringen Winkel der Streifenabschnitte gegenüber der tangentialen Richtung, ohne additive Fertigung kaum einstückig realisieren lässt.
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Weitere vorteilhafte Einzelheiten und Wirkungen der Erfindung sind im Folgenden anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine perspektivische Darstellung einer Sicherheitslenksäule mit einem erfindungsgemäßen Knautschelement;
- 2 eine perspektivische Darstellung des Knautschelements aus 1;
- 3 eine Schnittdarstellung eines Teils des Knautschelements aus 2;
- 4 eine Schnittdarstellung entsprechend der Linie IV-IV in 2;
- 5 eine Schnittdarstellung entsprechend der Linie V-V in 4; sowie
- 6 eine perspektivische Darstellung des Knautschelements aus 1 - 5 in deformiertem Zustand.
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In den unterschiedlichen Figuren sind gleiche Teile stets mit denselben Bezugszeichen versehen, weswegen diese in der Regel auch nur einmal beschrieben werden.
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1 zeigt eine perspektivische Darstellung einer Sicherheitslenksäule 10 für einen PKW, die als abgewinkelte Lenksäule mit zwei Kardangelenken 11, 12 ausgebildet ist. Im Hinblick auf diese Kardangelenke 11, 12 kann man die Sicherheitslenksäule 10 in drei Lenksäulenabschnitte 13, 14, 15 unterteilen, die während des normalen Betriebes des Fahrzeugs in sich starr bleiben. In einem ersten Lenksäulenabschnitt 13, der sich entlang einer axialen Richtung A erstreckt, ist ein Knautschelement 1 angeordnet, das so ausgeführt ist, bei einem Frontalzusammenstoß einerseits gestaucht zu werden und andererseits abzuknicken, um hiermit ein Eindringen von Teilen der Sicherheitslenksäule 10 in einen Fahrerraum des PKWs zu verhindern. Das Stauchen und Abknicken wird eingeleitet, wenn eine axial wirkende Schwellkraft F (genauer gesagt ein Kräftepaar, eingezeichnet in 2, 5 und 6) auf das Knautschelement 1 und somit auf einen Knautschabschnitt 4 einwirkt. Das Knautschelement 1 ist hierbei mit angrenzenden Lenksäulenteilen 16, 17 verbunden, bevorzugt verschraubt.
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2 zeigt das Knautschelement 1 einzeln in perspektivischer Darstellung. Man kann insgesamt einen ersten Anschlussabschnitt 2, einen zweiten Anschlussabschnitt 3 sowie den entlang der axialen Richtung A zwischen diesen angeordneten Knautschabschnitt 4 erkennen. Das Knautschelement 1 mit den drei Abschnitten 2, 3, 4 ist beispielsweise durch selektives Laserschmelzen (SLM) einstückig aus Metall gefertigt. Es ist überwiegend symmetrisch zu einer axial verlaufenden Mittelachse M aufgebaut. Die beiden Anschlussabschnitte 2, 3 sind dabei größtenteils massiv und weisen, wie in der Schnittdarstellung in 5 erkennbar ist, lediglich jeweils eine innenliegende Ausnehmung 2.2, 3.2 auf, die mit einem (nicht dargestellten) Innengewinde versehen ist. Das jeweilige Innengewinde greift in zusammengebautem Zustand mit entsprechenden Außengewinden der angrenzenden Lenksäulenteile 16, 17 ein. Um das Verschrauben zu erleichtern, sind an einem tangential sowie axial geschlossenen Mantel 2.1 des ersten Anschlussabschnitts 2 sowie an einem ebenfalls geschlossenen Mantel 3.1 des zweiten Anschlussabschnitts 3 ebene Ansatzflächen 2.3, 3.3 für einen Schraubenschlüssel vorgesehen. Abgesehen hiervon sind die Mäntel 2.1, 3.1 zylinderartig geformt. Während die Anschlussabschnitte 2, 3 somit insgesamt überwiegend geschlossen und massiv ausgebildet sind, ist der dazwischen liegende Knautschabschnitt 4 durchbrochen ausgebildet. Seine Form ist grob zylindrisch, wobei sein Außendurchmesser kleiner ist als der beider Anschlussabschnitte 2, 3. Der Knautschabschnitt 4 weist einen Mantel 4.1 auf, der eine innenliegende, in axialer Richtung A durchgehende Ausnehmung 4.2 umgibt.
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Die Struktur des Mantels 4.1, die insbesondere in der Detailansicht von 3 erkennbar ist, kann als gitterartig charakterisiert werden. Der Mantel 4.1 weist eine Mehrzahl von Streifenabschnitten 4.3, 4.4 auf, die insgesamt jeweils schraubenlinienförmig verlaufen. Eine erste Gruppe von Streifenabschnitten 4.3 verläuft hierbei mit einem Neigungswinkel von ca. +15° gegenüber der tangentialen Richtung (bzw. 75° gegenüber der axialen Richtung A) mit rechtem Drehsinn, während eine zweite Gruppe von Streifenabschnitten 4.4 mit einem Neigungswinkel von ca. 15° gegenüber der tangentialen Richtung mit linkem Drehsinn verläuft. Die Streifenabschnitte 4.3, 4.4 der beiden Gruppen schneiden einander vielfach in Kreuzungsbereichen 4.5 und bilden somit eine zusammenhängende, gitterartige Struktur. In 3 sind in den Kreuzungsbereichen 4.4 Trennlinien zwischen denen Streifenabschnitten 4.3, 4.4 eingezeichnet, was allerdings nur den Verlauf verdeutlichen soll. Aufgrund der einstückigen Fertigung ist dort keine physische Trennung gegeben.
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Schon die Verbindung der Streifenabschnitte 4.3, 4.4 trägt dazu bei, dass der Knautschabschnitt 4 gegenüber axialen Drehmomenten, die beim Lenken entstehen, im Wesentlichen torsionssteif ist. Dies wird noch durch den vergleichsweise geringen Neigungswinkel gegenüber der tangentialen Richtung verstärkt, sowie dadurch, dass - wie in 3 gut erkennbar - eine radiale Dicke jedes Streifenabschnitts 4.3, 4.4 deutlich größer ist als eine axiale Dicke. Durch die vergleichsweise geringe axiale Dicke der Streifenabschnitte 4.3, 4.4 sowie durch zwischen ihnen vorhandene Zwischenräume 4.6 kann der Knautschabschnitt 4 durch die axial einwirkende Schwellkraft F, die bei einem Frontalzusammenstoß überschritten wird, gestaucht werden.
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Um zusätzlich zu der axialen Stauchung ein Abknicken des Knautschabschnitts 4 zu erreichen, weist ein dem Knautschabschnitt 4 zugewandter Endbereich 2.4 des ersten Anschlussabschnitts 2 eine schräg zur axialen Richtung A verlaufende Endfläche 2.5 auf. Im vorliegenden Beispiel verläuft die Endfläche 2.5 in einem Winkel von 45° zur axialen Richtung A. Somit weist der Endbereich 2.4 einen ersten Abschnitt 2.6 auf, der im Verhältnis zu einem zweiten Abschnitt 2.7 axial vorspringt, der dem ersten Abschnitt 2.6 quer zur axialen Richtung A gegenüberliegt. Man kann auch davon sprechen, dass die beiden Abschnitte 2.6, 2.7 einander bezüglich der Mittelachse M gegenüber liegen.
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Im Falle einer axial einwirkenden Kraft F erfolgt eine Stauchung des Knautschabschnitts 4 anfänglich in etwa symmetrisch, ab einem bestimmten Punkt nähert sich allerdings die Stauchung auf Seiten des ersten Abschnitts 2.6 einem möglichen Maximalwert, während dies auf Seiten des zweiten Abschnitts 2.7 noch nicht der Fall ist. Als Ergebnis der hierdurch entstehenden, asymmetrischen Rückstellkräfte ergibt sich im Zusammenwirken mit der schrägen Endfläche 2.5 ein Biegemoment auf den Knautschabschnitt 4, das zu einem Abknicken in Richtung des zweiten Abschnitts 2.7 führt. Ein entsprechender Zustand ist in 6 dargestellt. Aus der Zusammenschau mit 1 wird klar, dass hierdurch nicht nur das Knautschelement 1, sondern auch die angrenzenden Lenksäulenteile 16, 17 seitlich, also quer zur axialen Richtung A ausweichen können. Dies stellt neben der Stauchung des Knautschabschnitts 4, die eine effektive Verkürzung des ersten Lenksäulenabschnitts 11 bewirkt, einen zusätzlichen Mechanismus dar, mit dem ein Eindringen der Sicherheitslenksäule 10 in den Fahrerraum verhindert werden kann.
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Ein wie in 6 deformiertes Knautschelement 1 kann in einfacher Weise durch Lösen der Schraubverbindungen mit denen Lenksäulenteilen 16, 17 ausgetauscht werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Knautschelement
- 2, 3
- Anschlussabschnitt
- 2.1, 3.1, 4.1
- Mantel
- 2.2, 3.2, 4.2
- Ausnehmung
- 2.3, 3.3
- Ansatzfläche
- 2.4
- Endbereich
- 2.5
- Endfläche
- 2.6
- erster Bereich
- 2.7
- zweiter Bereich
- 4
- Knautschabschnitt
- 4.3, 4.4
- Streifenabschnitt
- 4.5
- Kreuzungsbereich
- 4.6
- Zwischenraum
- 10
- Sicherheitslenksäule
- 11, 12
- Kardangelenk
- 13, 14, 15
- Lenksäulenabschnitt
- 16, 17
- Lenksäulenteil
- A
- axiale Richtung
- M
- Mittelachse
- F
- Schwellkraft
