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Die
Erfindung betrifft eine Lenksäulenanordnung
nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Eine
solche Lenksäulenanordnung
ist beispielsweise aus der
EP
0 662 414 A1 bekannt. Diese Lenksäulenanordnung umfaßt ein teleskopierbares Mantelrohr,
eine hierzu innen drehbar und konzentrisch angeordnete Lenkspindel
und ein Energieabsorptionselement. Das bekannte Energieabsorptionselement
besteht aus einem Draht, welcher mit dem einen Ende um ein Umformelement
gewickelt ist und mit dem anderen Ende an einem Sicherungselement
befestigt ist. Bei einem Aufprall bewegt sich das Umformelement
vom Sicherungselement weg und erzeugt so eine Spannung im Draht.
Diese Spannung bewirkt eine Abwicklung des Drahts, wodurch der Draht
deformiert wird und einen Widerstand erzeugt. Dabei wird Aufprallenergie
absorbiert.
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Aus
der WO 00/76833 A1 ist ebenfalls eine Lenksäulenanordnung bekannt, welche
bei einer Stoßeinwirkung
unter Energieaufnahme verkürzbar ist.
Die Lenksäulenanordnung
weist ein an einer Karosserie befestigtes teleskopierbares Mantelrohr, mindestens
zwei Umformelemente und ein durch die Umformelemente umgelenktes
Energieabsorptionselement auf. Das Energieabsorptionselement bewegt sich
bei einer Stoßeinwirkung
relativ zu den Umformelementen und verformt dabei. Durch eine Änderung
der Position der Umformelemente wird der Verformungsgrad des Energieabsorptionselements
eingestellt.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lenksäulenanordnung
für ein
Kraftfahrzeug der eingangs genannten Art zu schaffen, welche die
Sicherheit für
die Fahrzeuginsassen erhöht.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Lenksäulenanordnung
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Demnach
zeichnet sich die erfindungsgemäße Lenksäulenanordnung
durch ein Crashelement aus. Dieses Crashelement weist mindestens
zwei Umformelemente und ein Energieabsorptionselement auf. Bei einer
Stoßeinwirkung
auf die Lenksäule bewegt
sich das Energieabsorptionselement relativ zu den beiden Umformelementen
und wird dabei verformt. Somit wird durch das erfindungsgemäße Crashelement
Aufprallenergie durch Formänderungsarbeit
absorbiert. Durch eine Änderung
der Position eines Umformelements relativ zu dem anderen Umformelement
verändert
sich der jeweilige Umschlingungswinkel des Energieabsorptionselements an
den Umformelementen. Dadurch ist der Verformungsgrad des Energieabsorptionselements
einstellbar. Die Änderung
der Position des Umformelements erfolgt dabei auf einem Bogen um
das andere Umformelement. Zur Änderung
der Position des ersten Umformelements ist ein Bügel vorgesehen, der an einer
Drehachse des zweiten Umformelements drehbar gelagert ist. Wenn
der Abstand zwischen den Umformelementen während der Positionsänderung
konstant bleibt, beschreibt das Umformelement eine Kreisbahn, bei
einer exzentrischen Lagerung beschreibt es einen Bogen. Mit der
Erfindung kann demnach das Maß der
Energieabsorption besonders einfach an anatomische und fahrdynamische
Randbedingungen, wie beispielsweise Körpergröße und Körpergewicht der Fahrzeuginsassen,
angepaßt werden
und ein Aufprall bestmöglich
gedämpft
werden.
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Um
die Funktion der vorliegenden Erfindung sicherzustellen, ist es
wichtig, daß ein
Ende des Energieabsorptionselements und die Umformelemente an zwei
im Falle einer Stoßeinwirkung
relativ zueinander beweglichen Teilen der Lenksäule angeordnet sind. Dadurch
bewegt sich das Energieabsorptionselement im Falle eines Unfalls
und einer Verkürzung der
Lenksäule
relativ zum Umformelement und wird dabei verformt.
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Wenn
im Zusammenhang mit der Erfindung von einem fahrzeugfest angeordneten
Mantelrohr die Rede ist, so kann das Mantelrohr sowohl direkt als auch
indirekt – beispielsweise über einen
relativ zur Karosserie verschiebbaren Schlitten – an der Karosserie befestigt
sein.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Gemäß einer
Ausführungsform
sind als Umformelemente ein Primärzylinder
und ein Sekundärzylinder
vorgesehen. Der Primärzylinder
ist relativ zum äußeren Mantelrohr
fest angeordnet und der Sekundärzylinder
ist relativ zum Primärzylinder
beweglich angeordnet. Diese Ausführung
bringt besondere Vorteile für
die Herstellung mit sich, weil sie eine einfache Montage des Primärzylinders
an dem äußeren Mantelrohr
ermöglicht,
da dieses einfach zugänglich ist.
Durch die relativ bewegliche Anordnung des Sekundärzylinders
zum Primärzylinder
läßt sich
deren Position zueinander auf besonders einfache Art und Weise einstellen.
Selbstverständlich
können
Primär- und Sekundärzylinder
auch an anderen Teilen der Lenksäule
befestigt sein, solange das Energieabsorptionselement mit einem
relativ dazu beweglichen Teil in Verbindung steht.
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Die
Zylinder sind gemäß einer
weiteren Ausführungsform
drehbar gelagert. Dies hat den Vorteil, daß beim Verformen des Energieabsorptionselements
fast ausschließlich
Rollreibung auftritt und das Niveau der Energieabsorption besser
kalkuliert werden kann, weil lediglich die Formänderungsarbeit und die Rollreibung
berücksichtigt
werden müssen. Die
Zylinder können
jedoch auch fest angeordnet sein. Dadurch tritt bei der Verformung
des Energieabsorptionselements zusätzlich Reibung auf. Diese Reibung
erhöht
die Absorption der Aufprallenergie, indem sie der Stoßeinwirkung
einen höheren
Wider stand entgegensetzt. Folglich kann das Energieabsorptionselement
bei gleicher Energieabsorption kürzer
und damit platzsparender ausgestaltet werden.
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In
einer weiteren Ausführungsform
weisen die Zylinder parallele Drehachsen auf, die senkrecht zu einer
Zugkraft FZ angeordnet sind. Durch diese Anordnung
wird eine zuverlässige
und störungsfreie Funktion
des Crashelements im Falle eines Unfalls erreicht.
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In
dem Bügel,
der an der Drehachse A des Primärzylinders
drehbar gelagert ist, ist ebenfalls die Drehachse B des Sekundärzylinders
drehbar gelagert. Über
diese Anordnung ist es möglich,
die Position des Sekundärzylinders über die
Position des Bügels
einzustellen. Durch eine veränderte
Position des Sekundärzylinders
wird der Verformungsgrad des Energieabsorptionselements festgelegt.
Somit kann das Maß der
Energieabsorption auf besonders einfach Art und Weise beeinflußt werden.
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Die
Einstellung des Bügels
kann dabei über ein
an der Drehachse des Primärzylinders
angeordnetes Zahnrad erfolgen. Diese Anordnung ist besonders platzsparend
und kostengünstig,
da zur Übertragung
der Bewegung des Motors auf den Bügel nur ein Übertragungselement,
wie beispielsweise eine Gewindestange, und ein Zahnrad benötigt werden.
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In
einer weiteren Ausführungsform
wird der Bügel
mit einer Feder niedergehalten. Die Feder unterbindet Schwingungen
des Bügels,
die im Fahrbetrieb der Lenksäulenanordnung
auftreten und zu einer unerwünschten
Geräuschkulisse
führen
können.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
ist an der Drehachse des Primärzylinders
ein Arm mit einem Anschlag für
den Bügel
drehbar gelagert. Der Anschlag bestimmt die Endposition für den Sekundärzylinder,
der in dem Bügel
drehbar gelagert ist.
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Aus
Kostengesichtspunkten ist es günstig, den
Arm mit dem Umlaufbügel
einstückig
auszubilden. Auf diese Weise spart man den Montageaufwand. Der Umlaufbügel weist
eine Verzahnung auf, über
die die Position des Arms einfach eingestellt werden kann.
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Im
folgenden wird die erfindungsgemäße Lenksäulenanordnung
anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine perspektivische Ansicht
einer Lenksäulenanordnung,
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2 eine schematische Darstellung
eines erfindungsgemäßen Crashelements
sowie
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3 eine schematische Darstellung
eines weiteren Ausführungsbeispiels
eines Crashelements.
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Die
in 1 dargestellte Lenksäulenanordnung
besteht aus einem fahrzeugfest angeordneten äußeren Mantelrohr 1 und
einem teleskopförmig
in dem äußeren Mantelrohr 1 verschiebbaren
inneren Mantelrohr 2. In den Mantelrohren 1, 2 ist
eine nicht dargestellte, ebenfalls teleskopierbare, Lenkspindel gelagert,
an der ein ebenfalls nicht dargestelltes Lenkrad befestigt ist.
Zur Ausführung
der Teleskopbewegung von Lenkspindel und Mantelrohr 1, 2 ist eine
Spindel 3 vorgesehen, die entlang der Mantelrohre 1, 2 angeordnet
ist. Mit ihrem einen Ende ist die Spindel 3 an dem dem
Lenkrad zugewandten Ende des inneren Mantelrohrs 2 angelenkt.
Das andere Ende der Spindel 3 wirkt mit einer am äußeren Mantelrohr 1 angeordneten
Antriebseinheit 4 zusammen. Wenn die Spindel 3 als
Gewindespindel ausgeführt ist,
kann eine Verstellung sehr einfach über ein Drehen der Spindel 3 erfolgen.
Die Teleskopbewegung dient der Längsverstellung
der Lenksäulenanordnung,
mit deren Hilfe der Fahrer die Position des Lenkrads an seine eigenen
Bedürfnisse
anpassen kann und trägt
somit zum Komfort des Fahrers bei.
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Durch
eine Stoßeinwirkung
auf die Lenksäule
schiebt sich das innere Mantelrohr 2 durch eine Crashkraft
FC in das äußere Mantelrohr 1. Über die am
inneren Mantelrohr 2 befestigte Spindel 3 wird
die Crashkraft FC auf die Antriebseinheit 4 übertragen, deren
nicht dargestellte Halterungen so dimensioniert sind, daß sie ab
einer bestimmten Kraft aus ihren Anbindungen reißen, wonach sich die Antriebseinheit 4 entlang
der Mantelrohrachsen verschiebt und eine Relativbewegung zum Mantelrohr 1 ausübt.
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Die
Lenksäulenanordnung
ist mit einem in 2 dargestellten
Crashelement 5 versehen. Das Crashelement 5 weist
zwei Umformelemente 7, 8 auf. Als Umformelemente 7, 8 sind
ein Primärzylinder 7 und
ein Sekundärzylinder 8 vorgesehen.
Die beiden Zylinder 7, 8 weisen parallele Drehachsen
A, B auf, die senkrecht zu einer aus der Crashkraft FC resultierenden
Zugkraft FZ angeordnet sind. Der Primärzylinder 7 ist
am Mantelrohr 1 oder einem hierzu nicht beweglichen Teil
der Lenksäulenanordnung
befestigt (nicht dargestellt). Folglich sind der Primärzylinder 7 und
das Mantelrohr 1 nicht beweglich zueinander angeordnet.
Der Sekundärzylinder 8 ist
relativ zum Primärzylinder 7 beweglich
angeordnet. An der Drehachse A des Primärzylinders 7 ist ein
Bügel 9 drehbar gelagert.
Die Drehachse B des Sekundärzylinders 8 ist
in dem Bügel 9 an
dem der Drehachse A gegenüberliegenden
Ende drehbar gelagert. Die Position des Bügels 9 und damit auch
die Position des Sekundärzylinders 8 wird über einen
Motor 12 mit einem Übertragungselement 11 eingestellt.
Die Bewegung des Übertragungselements 11 wird über ein
an der Drehachse A angeordnetes Zahnrad 10 auf den Bügel 9 mit
dem Sekundärzylinder 8 übertragen.
Der Sekundärzylinder 8 beschreibt
bei seiner Positionsänderung
eine Kreisbahn um den Primärzylinder 7.
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Desweiteren
weist das Crashelement 5 ein Energieabsorptionselement 6 in
Form eines Drahts 6 auf. Ein Blechstreifen mit einem rechteckigen
Querschnitt ist ebenfalls denkbar. Der Draht 6 ist S-förmig um
die beiden Zylinder 7, 8 geführt. In der Darstellung gemäß 2 beginnt der Verlauf des
Drahts 6 im Bereich der Zylinder 7, 8 oben
rechts am Primärzylinder 7,
geht dann zwischen den Zylindern 7, 8 hindurch
nach unten und endet unten links am Sekundärzylinder 8. Ein rechtes
Ende 6' des
Drahts 6 ist frei, ein linkes Ende 6'' des Drahts 6 ist an einer
Lenksäulenkomponente
befestigt (nicht dargestellt), die sich im Falle eines Crashs relativ
zum äußeren Mantelrohr 1 und
somit zum Primärzylinder 7 bewegt,
wie beispielsweise dem inneren Mantelrohr 2, der Spindel 3 oder
der Antriebseinheit 4. Die beiden Drahtenden 6', 6'' verlaufen rechts und links von
den Zylindern 7, 8 waagerecht und sind in einer
Ausgangsposition (durchgezogene Linien) parallel mit einem Abstand
a zueinander ausgerichtet. Der Abstand a erstreckt sich zwischen
zwei Hilfslinien, die eine Verlängerung
der parallel zueinander ausgerichteten Drahtenden 6', 6'' des Crashelements 5 darstellen.
Im Falle eines Crashs, schiebt sich das innere Mantelrohr 2 in
das äußere Mantelrohr 1 und
am Drahtende 6'' greift durch
die Relativbewegung der beiden Mantelrohre 1, 2 bzw.
daran befestigter Elemente eine aus der Crashcraft FC resultierende
Zugkraft FZ an. Der Draht 6 bewegt
sich dadurch relativ zu den Zylindern 7, 8 und
wird, während
er an den Zylindern 7, 8 vorbeigeführt wird,
verformt. Diese Verformung stellt für die Zugkraft FZ einen
Widerstand dar. Dadurch wird Energie absorbiert.
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Ein
zylindrischer Niederhalter 13, der rechts oberhalb des
Primärzylinders 7 angeordnet
ist, dient der Führung
des Drahts 6. Der Draht 6 verläuft dadurch vom Drahtende 6' bis zum Primärzylinder 7 waagerecht.
Der Niederhalter 13 ist in Zugkraftrichtung vor den Zylindern 7, 8 angeordnet.
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Die
durchgezogenen Linien des Sekundärzylinders 8 und
des Bügels 9 stellen
eine Ausgangsposition des Crashelements 5 dar. In dieser
Position erfährt
der Draht 6 eine maximale Verformung bei maximaler Energieabsorption.
Die gestrichelten Linien des Sekundärzylinders 8 und des
Bügels 9 stellen eine
Endposition mit minimaler Verformung des Drahts 6 und minimaler
Energieabsorption dar. In der Ausgangsposition sind die beiden Drehachsen
A, B der Zylinder 7, 8 auf einer Höhe angeordnet.
Je näher sich
der Sekundärzylinder 8 seiner
Endposition nähert,
desto weniger wird der Draht 6 durch die Zylinder 7, 8 umgelenkt,
d.h. sein Umschlingungswinkel an den Umformelementen wird verändert. In
der Endposition liegt die Drehachse B des Sekundärzylinders 8 oberhalb
des Niveaus des Drahtendes 6' und
die Drahtenden 6', 6'' verlaufen nahezu auf einer Höhe. In der
Endposition beträgt
der Höhenunterschied
der parallel zueinander ausgerichteten Enden 6', 6'' des Drahts 6 Abstand
b, welcher kleiner ist als der Abstand a der Ausgangsposition.
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In 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines
Crashelements 5 dargestellt. Entsprechend dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel
sind bei dem Crashelement 5 zwei Umformelemente 7, 8 vorgesehen,
von denen eines ein relativ zum äußeren Mantelrohr 1 nicht
beweglicher Primärzylinder 7 und
das andere ein relativ zum Primärzylinder 7 beweglicher
Sekundärzylinder 8 ist.
Die Zylinder 7, 8 weisen parallele Drehachsen
A, B auf, die senkrecht zu einer aus der Crashkraft FC resultierenden
Zugkraft FZ angeordnet sind. An der Drehachse
A des Primärzylinders 7 ist
ein Bügel 9 drehbar
gelagert. Die Drehachse B des Sekundärzylinders 8 ist in
dem Bügel 9 an
dem der Drehachse A gegenüberliegenden
Ende drehbar gelagert. Weiterhin ist ein Arm 14 vorgesehen,
der ebenfalls drehbar an der Drehachse A gelagert ist. Der Arm 14 ist
parallel zum Bügel 9 angeordnet
und weist für
diesen einen Anschlag 15 auf. Der Anschlag 15 ist
an dem der Lagerstelle gegenüberliegenden
Ende des Arms 14 angeordnet und dient der Festlegung einer
Endposition des in dem Bügel 9 gelagerten
Sekundärzylinders 8.
Der Arm 14 geht in einen halbkreisförmigen Umlaufbügel 14' über.
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Die
Bewegung eines Übertragungselements 11 wird über den
Umlaufbügel 14' auf den Arm 14 übertragen.
Der Umlaufbügel 14' weist hierzu
eine Verzahnung auf, die mit dem Übertragungselement 11 zusammenwirkt.
Die Bewegung des Übertragungselements 11 und
damit die Position des Arms 14 wird entsprechend dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel über einen
Motor 12 eingestellt.
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Desweiteren
weist das in 3 dargestellte Crashelement 5 ein
Energieabsorptionselement 6 in Form eines Drahts 6 auf,
welcher S-förmig
um die Zylinder 7, 8 geführt ist. In der Darstellung
gemäß 3 ist der Verlauf des Drahts 6 rechts
von dem Sekundärzylinder 8 zunächst waagerecht, geht dann
unterhalb des Sekundärzylinders 8 vorbei,
zwischen den Zylindern 7, 8 hindurch nach oben
und wird hinter dem Primärzylinder 7 mit
Hilfe eines zylindrischen Niederhalters 13 wieder auf das
Niveau zu Beginn des Verlaufs heruntergedrückt. Ein weiterer Niederhalter 13 ist
rechts – in
Zugkraftrichtung FZ vor dem Sekundärzylinder 8 – angeordnet
und dient der waagerechten Zuführung
des Drahts 6. Die Enden 6', 6'' des
Drahts 6 verlaufen waagerecht auf einer Höhe und parallel
zu einer Zugkraft FZ, die am linken Ende 6'' des Drahts 6 angreift.
Das rechte Ende 6' des Drahts 6 ist
frei . Die Zugkraft FZ resultiert entsprechend
dem in 2 dargestellten
Ausführungsbeispiel
aus der im Crashfall auftretenden Relativbewegung zwischen äußerem und
innerem Mantelrohr 1, 2, an denen der Primärzylinder 7 und
das Drahtende 6'' befestigt sind.
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Der
Bügel 9 ist
mit einer Feder 16 verbunden, die den Bügel 9 in der Ausgangsposition
(durchgezogene Linien) hält.
Die Feder 16 wirkt einer Kraft entgegen, die im Falle eines
Unfalls durch den Draht 6 auf den Sekundärzylinder 8 und
damit den Bügel 9 übertragen
wird. Wenn der Bügel 9 und
der Arm 14 zweiteilig ausgeführt werden, kann es ohne die
Feder 16 im Fahrbetrieb zu Schwingungen bzw. Geräuschen des
Bügels 9 kommen.
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Der
Motor 12 stellt über
das Übertragungselement 11 die
Position des um die Drehachse A drehbar gelagerten Arms 14 über einen
am Arm 14 angeordneten Umlaufbügel 14' mit Verzahnung ein. Der Sekundärzylinder 8 wird über die
Feder 16 zunächst in
der Ausgangsposition gehalten. Sobald die Zugkraft FZ am
Ende 6'' des Drahts 6 angreift,
bewegt sich der Draht 6 relativ zu den Zylindern 7, 8.
Durch die Bewegung des Drahts 6 wirkt eine Kraft F entgegen
der Federkraft FF auf den Sekundärzylinder 8. Der
Sekundärzylinder 8 ist
fest mit dem Bügel 9 verbunden
und schwenkt durch die Kraft F um die Drehachse A bis der Bügel 9 den
Anschlag 15 des Arms 14 erreicht. Dies stellt
die Endposition (gestrichelte Linien) des Sekundärzylinders 8 dar.
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Im
folgenden wird die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Lösung anhand
der dargestellten Ausführungsbeispiele
erläutert.
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Durch
eine Stoßwirkung,
die beispielsweise im Falle eines Unfalls durch einen Oberkörperaufprall eines
Fahrzeuginsassen auf das Lenkrad entsteht, schiebt sich das innere
Mantelrohr 2 durch die dabei aufgebrachte Crashkraft FC in das äußere Mantelrohr 1.
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Um
die Funktion der vorliegenden Erfindung sicherzustellen, ist das
Ende 6'' des Drahts 6 und
der Primärzylinder 7 an
zwei sich im Falle einer Stoßeinwirkung
relativ zueinander bewegenden Teilen der Lenksäule angeordnet. Beispielsweise
kann der Primärzylinder 7 an
dem äußeren Mantelrohr 1 und
das Ende 6'' des Drahts 6 an
dem inneren Mantelrohr 2 angeordnet sein. Das andere Ende 6' des Drahts 6 ist frei.
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Sobald
im Crashfall durch die Verschiebung des inneren Mantelrohrs 2 eine
hieraus resultierende Zugkraft FZ an dem
Drahtende 6'' angreift, bewegt sich
der Draht 6 relativ zu den Zylindern 7, 8.
Der Draht 6 wird unter stetiger Biegung und Rückbiegung an
den Zylindern 7, 8 vorbeigeführt. Durch die Biegung wird
Energie absorbiert. Der Grad der Verformung und damit das erwünschte Energieabsorptionsniveau
hängt von
der Position des Sekundärzylinders 8 ab,
die über
den Motor 12 eingestellt wird. Die Ausgangsposition (durchgezogene
Linien des Sekundärzylinders 8,
des Bügels 9 und
des Umlaufbügels 14' in 2 und 3) bewirkt eine maximale Verformung,
während
die Endposition (gestrichelte Linien des Sekundärzylinders 8, des
Bügels 9 und
des Umlaufbügels 14' in 2 und 3) eine minimale Verformung des Drahts 6 bewirkt.
Für die
Verformung des Drahts 6 wird eine Kraft benötigt. Diese
Kraft stellt einen Widerstand für
die Zugkraft FZ dar. Dieser Widerstand muß von der
Zugkraft FZ überwunden werden. Dabei wird
Aufprallenergie absorbiert, wodurch ein Aufprall des Fahrers auf
das Lenkrad gedämpft
wird.
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Das
Energieabsorptionsniveau kann in Abhängigkeit von verschiedenen
fahrzeug- und insassenspezifischen Daten eingestellt werden. Die
Daten können
beispielsweise in regelmäßigen Abständen erfaßt und von
einem Steuerungssystem in elektrische Steuersignale umgewandelt
werden, über
die eine Ansteuerung des Motors 12 mit dem Übertragungselement 11 erfolgt.
Das Übertragungselement 11 überträgt die Bewegung über den
Bügel 9 (2) bzw. den Arm 14 (3) auf den Sekundärzylinder 8. Durch
die veränderte
Stellung des Sekundärzylinders 8 relativ
zu dem Primärzylinder 7 kann
der Verformungsgrad des Drahts 6 verändert werden. Demnach kann
der Widerstand, den die Verformung des Drahts 6 der Zugkraft
FZ entgegenstellt, verändert und das Energieabsorptionsniveau
der jeweiligen Situation angepaßt
werden.