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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einfahrbare Steer-by-Wire-Lenksäulen und insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, auf Lenksäulenanordnungen zur Verwendung mit einem Steer-by-Wire-Handradaktuator.
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Autonome Fahrzeuge sind zur primären Verwendung in einem autonomen Modus, bei dem die Steuerung des Fahrzeugs ohne manuelle Eingriffe durchgeführt wird, gedacht. Es ist jedoch wünschenswert, dass autonome Fahrzeuge bei Bedarf oder Wunsch manuell gesteuert werden können, und aus diesem Grund müssen Fahrzeugsteuerungen, wie z. B. ein Lenkrad (in der Regel mit einem „Steer-by-Wire“-Betrieb), vorgesehen sein.
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Bei derartigen Steer-by-Wire-Anordnungen ist ein Handrad (Lenkrad) mit einem Ende einer Welle verbunden, deren Winkelverschiebung zur Erzeugung eines Signals gemessen wird, das zur Steuerung der Ausrichtung der gelenkten Räder des Fahrzeugs verwendet wird. Die Anordnung ist gewöhnlich auch mit einem Elektromotor versehen, der dahingehend mit der Welle verbunden ist, für eine Straßengefühlwahrnehmung für den Fahrer zu sorgen.
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Es ist jedoch auch wichtig, dass eine derartige Anordnung im Falle eines Fahrzeugaufpralls zur Minimierung von Verletzungen des Fahrers zusammenschiebbar ist.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst eine Lenksäule für ein Fahrzeug:
- einen Teleskopmechanismus, der ein erstes und ein zweites rohrförmiges Glied, die im Wesentlichen koaxial sind, umfasst;
- wobei das erste rohrförmige Glied zur linearen Bewegung in dem zweiten rohrförmigen Glied geführt wird und in ihm eine Welle untergebracht ist, die zur Befestigung eines Lenkrads ausgeführt ist;
- einen ersten elektrisch betriebenen Linearaktuator zur Steuerung der Längsposition des ersten rohrförmigen Glieds bezüglich des zweiten rohrförmigen Glieds;
- ein Mittel zum Absorbieren der Aufprallenergie, die bei einem Crash zwischen einem Fahrer und dem Lenkrad übertragen wird, das Folgendes umfasst:
- zwei oder mehr gefaltete Metallbänder,
- wobei mindestens eines der Bänder an einem seiner Enden an einem Glied fixiert ist, das mit dem ersten rohrförmigen Glied schmelzverbunden ist und mit dem auch ein beweglicher Teil des elektrisch betriebenen Linearaktuators verbunden ist;
- einen angrenzenden Rand von jeweils dem ersten und/oder dem zweiten Band, der eine Gruppe von Zähnen oder Rampen umfasst, die normalerweise mit einem Halteglied in Eingriff stehen, das dahingehend mit den Zähnen oder Rampen des ersten und/oder des zweiten Bandes in Eingriff gelangt, das erste und das zweite Band darauf zu beschränken, sich zusammen zu bewegen; und
- ein pyrotechnisch betätigtes Mittel zum Lösen des ersten Halteglieds von dem ersten und dem zweiten Band.
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Mit der obigen Lenkanordnung kann im Falle eines Fahrzeugaufpralls in Abhängigkeit von den Gegebenheiten des Aufpralls mindestens eines der Bänder von dem Teleskopmechanismus gelöst werden, falls dies angemessen ist, wodurch gestattet wird, dass alternative Crashenergieabsorptionsausmaße entsprechend einer Steuerstrategie durch Betätigen oder Nichtbetätigen des pyrotechnisch betätigten Mittels gewählt werden.
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Das erste und das zweite Band werden vorzugsweise durch ein zusätzliches Mittel, z. B. durch Schweißen, aneinander gesichert.
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Das erste und das zweite Band sind vorzugsweise miteinander verschweißt.
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Vorzugsweise umfasst das erste Halteglied eine Gruppe von Zähnen oder Rampen, die mit den Zähnen oder Rampen des ersten und des zweiten Bands in Eingriff bringbar sind.
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Bei einer Ausführungsform umfasst die Lenksäulenanordnung ferner ein zweites Halteglied, das normalerweise dahingehend an dem ersten Halteglied anliegt, das erste Halteglied im Eingriff mit dem ersten und dem zweiten Band zu halten.
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Vorzugsweise drückt eine Feder das zweite Halteglied in den Eingriff mit einem Stift des pyrotechnisch betätigten Mittels, wobei der Stift bei Betätigung des pyrotechnisch betätigten Mittels aus dem Eingriff mit dem zweiten Halteglied zurückgezogen wird.
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Die Lenksäule kann ferner einen Kniehebel und einen zweiten elektrisch betätigten Linearaktuator zur Bereitstellung einer Höheneinstellung für das Lenkrad umfassen.
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Der Kniehebel kann an einer Position, die im Wesentlichen zu einer Seite der Mittellinie der Lenksäule versetzt ist, an dem zweiten äußeren rohrförmigen Glied befestigt sein.
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Die Lenksäule kann ferner einen Elektromotor umfassen, der an dem zweiten äußeren rohrförmigen Glied fixiert ist und dessen Rotor über ein Schiebegelenk zwischen zwei Wellen, das Drehmoment mit minimalem Verdrehspiel übertragen kann, mit dem Lenkrad verbunden ist.
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Die Lenksäule kann ferner einen Elektromotor umfassen, der an dem zweiten äußeren rohrförmigen Glied fixiert ist und dessen Rotor über ein Untersetzungsgetriebe, das in Reihe mit einem Schiebegelenk zwischen zwei Wellen, das Drehmoment mit minimalem Verdrehspiel übertragen kann, verbunden ist, mit dem Lenkrad verbunden ist.
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Die Lenksäule kann ferner einen Elektromotor umfassen, der an dem zweiten äußeren rohrförmigen Glied fixiert ist und dessen Rotor über ein Untersetzungsgetriebe, das in Reihe mit einem Schiebegelenk zwischen zwei Wellen, das Drehmoment mit minimalem Verdrehspiel übertragen kann, verbunden ist, mit dem Lenkrad verbunden ist, und wobei das größere Zahnrad des Untersetzungsgetriebes nach innen weisende Zähne aufweist, die mit den äußeren Zähnen eines kleineren Zahnrads, das mit dem Motorrotor dreht, in Eingriff stehen.
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Der Körper des Elektromotors kann bezüglich des zweiten äußeren rohrförmigen Glieds durch eine einzige Fixierungsvorrichtung, um die herum er sich drehen kann, und durch eine oder mehrere zusätzliche Fixierungsvorrichtungen, die das Einstellen von Spiel zwischen den Zähnen der zwei Zahnräder auf null oder einen anderen gewünschten Wert gestatten, befestigt sein.
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Die Lenksäule kann ferner eine mechanische Vorrichtung umfassen, die zum Begrenzen der Drehungen des größeren Zahnrads auf mehr als eine Drehung insgesamt in der Lage ist und die im Wesentlichen in dem durch seine nach innen weisenden Zähne definierten eingeschlossenen Raum aufgenommen ist.
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Es wird nun eine spezielle Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beispielhaft beschrieben; in den Zeichnungen zeigen:
- 1a und 1b eine Seitenansicht, zum Teil im Querschnitt, bzw. eine auseinandergezogene Ansicht einer Ausführungsform der einfahrbaren Steer-by-Wire-Lenksäulenanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung;
- 2 eine Endansicht der Lenksäule von 1 mit Blick in die Richtung des Pfeils A in 1;
- 3a und 3b eine Seitenansicht bzw. eine Endansicht einer Lenksäule, die Teil der Anordnung von 1 ist;
- 4 eine zum Teil auseinandergezogene Ansicht der Lenksäule von 3;
- 5 eine perspektivische Ansicht des ersten und des zweiten Energieabsorptionsbands, die Teil der Lenksäule von 3 sind, von oben;
- 6 eine Endansicht des ersten und des zweiten Energieabsorptionsbands von 5 im verbauten Zustand;
- 7a und 7b Seitenansichten von Teilen, die das Energieabsorptionsverfahren betreffen, in Bezug auf die Gesamtanordnung, und 7C eine Seiten- und eine Endansicht der Teile im einzelnen zur Verdeutlichung; und
- 8a und 8b Seitenansichten einer Neigungsaktuatoranordnung, die Teil der Anordnung von 1 ist, in einer zusammengebauten bzw. auseinandergezogenen Ansicht.
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1a ist eine Seitenansicht, zum Teil im Querschnitt, durch eine Lenksäulenanordnung 10, bei der die Mittellinienachse einer Lenksäule 12 um etwa 24° im Uhrzeigersinn gedreht ist, so dass sich die Mittellinienachse der Lenksäule zur Vereinfachung der Darstellung in der Zeichnung horizontal erstreckt. Die Lenksäulenanordnung 10 ist zwischen der Spritzwand des Fahrzeugs, einem Fahrzeugarmaturenbrett und dem Knieraum unterhalb der Säulenanordnung 10 positioniert.
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Im Gebrauch ist ein Lenkrad (nicht gezeigt) an dem am weitesten hinten liegenden Ende (d. h. gemäß der Darstellung in 1 dem rechten Ende) einer Welle 14, die in einem inneren Säulenrohr 16 befestigt ist und sich davon erstreckt, fixiert. Das innere Säulenrohr 16 ist, wie erläutert wird, dahingehend entlang seiner Längsachse bezüglich eines Metallgusslenksäulengehäuses 18 nach innen und nach außen verschiebbar, die „Höhe“ des Lenkrads einzustellen. Bei der bestimmten gezeigten Ausführungsform läuft das innere Säulenrohr 16 auf zwei linearen Gruppen von Kugellagern 20, alternativ dazu kann das innere Säulenrohr jedoch auch einen engen Gleitsitz in dem Gehäuse 18 aufweisen.
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Wie am besten in 1b zu sehen ist, ist ein Höhen-/Einfahraktuator 21, der eine längliche Gewindeleitspindel 22 umfasst, zwischen dem inneren Säulenrohr 16 und dem Säulengehäuse 18 befestigt. Die Leitspindel 22 erstreckt sich parallel zur Längsachse der Lenksäulenanordnung und ist durch eine Leitmutter 24 (nicht sichtbar) hindurchgeschraubt, die in einem ersten Untersetzungsgetriebes 26, das durch ein Schneckenrad angetrieben wird, drehbar befestigt ist. Die Drehung der Leitmutter 24 führt zu einer Längsverschiebung der Leitspindel 22. Das Schneckenrad steht mit einer Schneckenschraube, die mit dem Ausgang eines Elektromotors 28 verbunden ist, in Eingriff. Wie erläutert wird, ist die Leitspindel 22 durch eine Höhenarmplatte 30 an dem inneren Säulenrohr 16 angebracht, so dass eine Betätigung des Elektromotors 28 zu einer dahingehenden Verschiebung des inneren Säulenrohrs 16 nach innen oder nach außen, die „Höhe“ des Lenkrads einzustellen, führt.
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Wie am besten in 2 zu sehen ist, ist der Querschnitt des Säulengehäuses 18 für den größten Teil seiner Länge nicht durchgängig, wodurch eine längliche Öffnung 34 an seiner oberen linken Seite (bei Betrachtung von 2) belassen wird. In der länglichen Öffnung 34 wird eine Energieabsorptionsbandanordnung 36, die genauer beschrieben wird, aufgenommen, die die Breite der länglichen Öffnung überspannt und die, wenn ein Gleitsitz zwischen dem inneren Säulenrohr 16 und dem Säulengehäuse 18 vorliegt (d. h. wenn die Kugellager 20 weggelassen werden), eine Drehung des inneren Säulenrohrs 16 bezüglich des Säulengehäuses 18 verhindert.
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Unter Bezugnahme auf 3-8 umfasst die Energieabsorptionsbandanordnung 36 ein erstes und ein zweites Energieabsorptionsband 38, 40. Das erste Energieabsorptionsband 38 liegt in Form einer zum Teil U-förmigen Metallhalterung mit einem unteren länglichen rechteckigen angeflanschten Schenkel 42 und einem oberen länglichen rechteckigen planaren Schenkel 44, der den ersten Schenkel 42 überlagert und sich parallel zu diesem erstreckt, vor, wobei die zwei Abschnitte durch einen halbkreisförmigen Nasenabschnitt 46 miteinander verbunden sind. Der untere Schenkel 42 ist breiter als der Oberschenkel 44 und ist mit zwei identischen parallelen tiefen Nuten 48, die sich von der Verbindungsstelle des unteren Schenkels 42 und dem abgerundeten Nasenabschnitt 46 aus in einer parallel zur Längsachse verlaufenden Richtung über etwa zwei Drittel der Länge des unteren Schenkels 42 erstrecken, versehen. Wie am besten in 6 zu sehen ist, sind die zwei länglichen parallelen lateralen Ränder des unteren Schenkels 42 dahingehend nach unten und unter den unteren Schenkel 42 gefaltet, zwei längliche Flansche 50 zu bilden. Auf diese Weise bestimmt die Position der Höhenarmplatte 30, wie durch eine Betätigung des Höhen-/Einfahraktuators bestimmt, die Position des inneren Säulenrohrs 16.
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Das zweite Energieabsorptionsband 40 liegt auch in Form einer zum Teil U-förmigen Metallhalterung mit einem unteren länglichen rechteckigen planaren Schenkel 51 und einem kürzeren oberen länglichen rechteckigen planaren Schenkel 52, der den vorderen Abschnitt des unteren Schenkels 51 überlagert und sich parallel dazu erstreckt, vor, wobei die zwei Abschnitte durch einen halbkreisförmigen Nasenabschnitt 54 miteinander verbunden sind. Der Abstand zwischen den Innenseiten des unteren und des oberen Schenkels 51, 52 des zweiten Energieabsorptionsbands 40 entspricht dem Abstand zwischen den Außenseiten des unteren und des oberen Schenkels 42, 44 des ersten Energieabsorptionsbands 38, und der Innendurchmesser des Nasenabschnitts 54 des zweiten Energieabsorptionsbands 40 entspricht dem Außendurchmesser des Nasenabschnitts 46 des ersten Energieabsorptionsbands 38. Im Normalgebrauch ist das erste Energieabsorptionsband 38 zwischen dem oberen und dem unteren Schenkel 51, 52 des zweiten Energieabsorptionsbands 40 eingeschachtelt und die zwei Bänder 40 und 38 sind durch Schweißen entlang Rändern 49 miteinander verbunden. Die Flansche 50 werden nachfolgend mit der Außenfläche des inneren Säulenrohrs 16 entlang Rändern 53, die in 3b gezeigt werden, verschweißt. Die Außenfläche des oberen planaren Schenkels 44 ist auch mit der Höhenarmplatte 30 verschweißt. Die Höhenarmplatte 30 ist durch zwei Schrauben 37, die durch einfache Löcher 39 in dem oberen Schenkel 44, dann durch einfache Löcher 55 in der Höhenarmplatte 30, dann durch einen Schlitz 41 in dem unteren Schenkel 42 hindurchgehen und mit Gewindelöchern 43 in dem unteren Schenkel 51 in Eingriff stehen, an der Energieabsorptionsbandanordnung 36 angebracht. Die Gewindelöcher 43 sind durch im Wesentlichen kreisförmige Abschnitte 57 des unteren Schenkels 51 hindurch ausgebildet, die bei einer festgelegten Kraft durch das Zerbrechen von Schmelzverbindungs„brücken“ 59 wegbrechen können. Die kreisförmigen Abschnitte 57 wirken somit als scherbare Muttern, die zusammen mit dem Schlitz 41 in dem unteren Schenkel 42 des ersten Energieabsorptionsbands 38 gestatten, dass sich die unteren Schenkel 51, 42 (die an Positionen 49 miteinander verschweißt sind) bei einem Crash in dem inneren Säulenrohr 16 vorwärts bewegen, während der Oberschenkel 44 des ersten Energieabsorptionsbands 38 und der Höhenarm 30 beide bezüglich der Leitspindel 22 stationär bleiben.
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Aus 6 ist ersichtlich, dass ein Rand der oberen Schenkel 44, 52 des ersten Energieabsorptionsbands 38 bzw. des zweiten Energieabsorptionsbands 40 in einen identischen Zahnstangenabschnitt 58, 60 ausgebildet ist, der aus mehreren identischen Zähnen ausgebildet ist, die, wenn das erste Energieabsorptionsband 38 in dem zweiten Energieabsorptionsband 40 eingeschachtelt ist, exakt ausgerichtet sind und mit einer komplementärgeformten entfernbaren ersten Zahnstange 64 (7b) in Eingriff stehen, die so dick wie die kombinierte Dicke des ersten und des zweiten Zahnstangenabschnitts 58, 60 ist und bei Eingriff mit den Zahnstangenabschnitten 50, 60 die oberen Schenkel 44, 52 des ersten und des zweiten Energieabsorptionsbands 38, 40 miteinander verriegelt.
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Die Unterseite der entfernbaren ersten Zahnstange 64 ist flach und glatt und liegt an der flachen und glatten oberen Seite einer zweiten entfernbaren Zahnstange 68 an. Die zweite Zahnstange 68 ist länger als die erste Zahnstange und erstreckt sich bis zur Anlage ihres vorderen Rands an dem einziehbaren Stift 70 einer pyrotechnischen Vorrichtung 72 nach vorne. Der Stift 70 ist dazu konfiguriert, bei Betätigung der pyrotechnischen Vorrichtung als Reaktion auf ein Signal von einem elektronischen Steuergerät sehr schnell eingezogen zu werden.
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Die Unterfläche der zweiten Zahnstange 68 ist mit einer Gruppe 74 aus Zähnen oder Rampen versehen, die mit einer komplementären Gruppe 76 aus Zähnen oder Rampen in Eingriff steht, die in der Oberseite einer in 1b zu sehenden dritten Zahnstange ausgebildet ist, die dauerhaft aber unbeweglich an der Innenseite der Säulenabdeckung 19 über der länglichen Öffnung 34 in dem Säulengehäuse 18 gesichert wird. Die zweite Zahnstange 68 wird durch eine blattartige Vorspannfeder 82, die an dem Säulengehäuse 18 befestigt ist, in die Vorwärtsrichtung gedrückt, wobei das obere Ende der Feder durch ein Loch 81 in der Säulenabdeckung 19 hindurchgeht.
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Wenn der Stift 70 der pyrotechnischen Vorrichtung 72 eingezogen wird, wozu es in dem Fall, dass eine Crashsituation detektiert worden ist, kommt, wird die zweite Zahnstange 68 durch die Vorspannfeder 82 nach vorne gedrückt und der anfängliche Spitze-an-Spitze-Eingriff der Gruppen 74, 76 der Zähne oder Rampen an der zweiten Zahnstange 68 und der dritten Zahnstange 80 bricht in eine Zahn-in-Spalts-Eingriffsposition zusammen, die zu einer Abwärtsbewegung der zweiten Zahnstange zur dritten Zahnstange hin von einigen Millimetern führt. Sobald sich die zweite Zahnstange 68 nach unten bewegt hat, wird die erste Zahnstange 64, die die oberen Schenkel 44, 52 des ersten und des zweiten Energieabsorptionsbands 38, 40 miteinander verbindet, von dem ersten und dem zweiten Energieabsorptionsband gelöst.
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Das zweite Energieabsorptionsband 40 wird nun nicht verformt, wenn sich das innere Säulenrohr während des Crashwegs nach vorne bewegt, da sich sein Oberschenkel 52 gleichzeitig mit seinem unteren Schenkel 51 ungehindert bewegen kann.
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Die obige Anordnung sorgt für eine adaptive Crashfunktion, wobei durch Betätigen oder Nichtbetätigen der pyrotechnischen Vorrichtung 72 zwei unterschiedliche Energieabsorptionsausmaße gewählt werden können.
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Bei einer ersten Einstellung wird der Stift 70 der pyrotechnischen Vorrichtung 72 im Falle eines Crashs nicht betätigt, was dazu führt, dass das erste und das zweite Energieabsorptionsband 38, 40 durch die erste Zahnstange 64 miteinander verriegelt sind. Eine Vorwärtsbewegung des Lenkrads und somit des inneren Säulenrohrs 16 führt dazu, dass der mittige Abschnitt des ersten Energieabsorptionsbands 38 von den Seitenabschnitten entlang den Nuten 48 weggerissen wird, wobei ein Teil der kinetischen Energie des Fahrers in Spannungsenergie umgewandelt wird. Darüber hinaus bewegt sich die Faltung bei Wegreißen des mittigen Abschnitts des ersten Energieabsorptionsbands von den Seitenabschnitten entlang seiner Länge, wodurch zusätzliche kinetische Energie absorbiert wird.
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Wenn das erste und das zweite Energieabsorptionsband 38, 40 durch die erste Zahnstange 64 miteinander verriegelt sind, verformt sich im Falle eines Crashs das zweite Energieabsorptionsband gleichzeitig, wodurch weitere Energie von dem Fahrer absorbiert wird.
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Bei einer zweiten Einstellung wird der Stift 70 der pyrotechnischen Vorrichtung 72 dahingehend betätigt, ihn aus der zweiten Zahnstange zu lösen, was zum Lösen der ersten Zahnstange 64 von dem ersten und dem zweiten Energieabsorptionsband 38, 40 führt, wie zuvor erläutert wurde. Bei der zweiten Einstellung führt eine Vorwärtsbewegung des Lenkrads und des inneren Säulenrohrs 16 noch immer dazu, dass der mittige Abschnitt des ersten Energieabsorptionsbands 38 entlang den Nuten 48 von den Seitenabschnitten weggerissen wird. Das zweite Energieabsorptionsband wird jedoch nicht verformt und bewegt sich weiter mit dem inneren Säulenrohr 16 nach vorne, ohne verformt zu werden.
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Es ist auch ersichtlich, dass das Säulengehäuse 18 an seinem vorderen Ende durch einen Zapfen 90 an einer Befestigungshalterung 92, die an dem Fahrzeug gesichert wird, schwenkbar verbunden ist. Zu dem am weitesten hinten liegenden Ende der Säule hin ist ein Drehpunkt 95 eines Kniehebels 94 an dem Säulengehäuse 18 schwenkbar befestigt, und das am weitesten hinten liegende Ende 93 des horizontalen Arms des Kniehebels ist an der Befestigungshalterung 92 schwenkbar befestigt. Der vertikale Arm des Kniehebels 94 ist bei 99 an einem Ende einer Leitspindel 96 eines Neigungsaktuators 98 schwenkbar befestigt, der einen Elektromotor 100 aufweist, dessen Ausgang mit einer Schneckenschraube 102 (nicht sichtbar) verbunden ist, die mit einem Schneckenrad 103 (nicht sichtbar) in Eingriff steht, das mit einer sich nicht drehenden Gewindespindel 96 in Gewindeeingriff steht. Durch Betätigung des Elektromotors 100 kann die Leitspindel 96 entlang ihrer Längsachse in beiden Richtungen verschoben werden, wodurch die Winkelposition des Kniehebels 94 eingestellt wird und wodurch wiederum die Schräge oder „Neigung“ des Säulengehäuses 18 festgelegt wird. Eine Neigungsführungsplatte 106 ist mit der Befestigungshalterung 92 verbunden und erstreckt sich von dieser nach unten und ist mit einer gekrümmten Aussparung 108 versehen, in der ein an dem Säulengehäuse 18 gesicherter Stift 110 zur Unterstützung der Führung der Schwenkeinstellung des Säulengehäuses 18 aufgenommen wird.
