DE10315642A1

DE10315642A1 - Klemmmechanismus einer verstellbaren Lenksäule und Verfahren zum Klemmen der Lenksäule

Info

Publication number: DE10315642A1
Application number: DE2003115642
Authority: DE
Inventors: Herniu Michalski; Ali Bayram; Rainer Schmidt
Original assignee: Nacam Deutschland GmbH
Current assignee: Robert Bosch Automotive Steering Bremen GmbH
Priority date: 2003-04-04
Filing date: 2003-04-04
Publication date: 2004-11-04
Anticipated expiration: 2023-04-05
Also published as: DE10315642B4

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Klemmmechanismus einer in axialer und/oder vertikaler Richtung gegen eine Karosserie eines Kraftfahrzeuges verstellbaren Lenksäule (1), mit mindestens: einem ersten Befestigungsmittel (6), welches mit der Karosserie des Kraftfahrzeuges verbunden ist, einem zweiten Befestigungsmittel (4), welches mit der Lenksäule (1) verbunden ist, und einer zwischen dem ersten (6) und dem zweiten Befestigungsmittel (4) angeordneten Koppelvorrichtung (5.1 bis 5.3), die zum Fixieren der Lenksäule (1) die Bewegung zwischen dem ersten (6) und dem zweiten Befestigungsmittel (4) mithilfe eines sperr-/entsperrbaren Koppelmittels sperrt und zum Verstellen der Lenksäule (1) die Bewegung der Lenksäule (1) zwischen dem ersten (6) und dem zweiten Befestigungsmittel (4) ermöglicht. DOLLAR A Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass das Koppelmittel aus einer Substanz (9.1 und 9.2) besteht, deren Viskosität durch Anlegen eines elektrischen und/oder magnetischen Feldes einstellbar ist und je nach eingestellter Viskosität die Koppelvorrichtung (5.1 bis 5.3) sperrt oder entsperrt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Klemmmechanismus einer in axialer und/oder vertikaler Richtung gegen eine Karosserie eines Kraftfahrzeuges verstellbaren Lenksäule, mit mindestens einem ersten Befestigungsmittel, welches mit der Karosserie des Kraftfahrzeuges verbunden ist, einem zweiten Befestigungsmittel, welches mit der Lenksäule verbunden ist und einer zwischen dem ersten und dem zweiten Befestigungsmittel angeordneten Koppelvorrichtung, die zum Fixieren der Lenksäule die Bewegung zwischen dem ersten und dem zweiten Befestigungsmittel mit Hilfe eines sperr-/entsperrbaren Koppelmittels sperrt und zum Verstellen der Lenksäule die Bewegung der Lenksäule zwischen dem ersten und dem zweiten Befestigungsmittel ermöglicht. Des weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Klemmen einer verstellbaren Lenksäule gegen die Karosserie eines Kraftfahrzeuges.

In vielen Kraftfahrzeugen kann die vertikale Neigung der Lenksäule und/oder der Abstand des Lenkrades zum Fahrer eingestellt werden. Nach dem Einstellen der Lenksäule wird diese in der gewünschten Position fixiert. Hierzu sind bereits Klemmmechanismen für in axialer und/oder vertikaler Richtung verstellbare Lenksäulen von Kraftfahrzeugen bekannt. Meistens werden zur Verstellung der Lenksäule mehrere ineinandergreifende Zahnsegmente verwendet, die dann mittels eines Schraubenelementes in der gewünschten Lenksäulenposition fixiert werden. Ein Nachteil bei diesem bekannten Klemmmechanismus ist, dass dieser durch die Zahnsegmente nur an rasterartigen Positionen und nicht stufenlos in jeder Position arretiert werden kann. Außerdem ergibt sich durch die aufwendige Gestaltung des Zahnsegmentmechanismus eine unangenehm hohe Kraft zum Verstellen der Lenksäule. Auch die Kraft zum Verriegeln des Klemmmechanismus in der gewünschten Lenksäulenposition ist trotz des Einsatzes von Hebelelementen immer noch sehr hoch.

In der Offenlegungsschrift DE 100 25 979 A1 wird bereits eine verbesserte Ausführung eines Klemmmechanismus für Kraftfahrzeuglenksäulen beschrieben. Dieser automatische Klemmmechanismus wird durch ein steuerbares Betätigungsglied gebildet, welches mit einer Anordnung aus einer Zahnstange und einem Ritzel oder mit einer anderen Getriebeanordnung eine Klemmeinrichtung zum Klemmen der Lenksäule in einer gewünschten Position kuppelt. Hierdurch kann die zum Klemmen der Lenksäule notwendige Handbetätigung umgangen werden.

Ein Problem dieses Klemmmechanismus ist, dass er sehr kompliziert ausgeführt ist und durch das steuerbare Betätigungsglied und die Getriebeanordnung einen relativ großen Bauraum in der Lenksäule des Kraftfahrzeuges einnimmt.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung einen Klemmmechanismus einer in axialer und/oder vertikaler Richtung verstellbaren Lenksäule gegen eine Karosserie eines Kraftfahrzeuges vorzustellen, der einen unkomplizierten und kompakten Aufbau aufweist.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch einen Klemmmechanismus mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 und durch den unabhängigen Verfahrensanspruch 15 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand untergeordneter Patentansprüche.

Die Erfinder haben erkannt, dass rheologisch aktive Substanzen, die ihre Viskosität reversibel, zum Beispiel durch Anlegen/Trennen eines elektrischen und/oder magnetischen Feldes, ändern können, derart mit der bewegbaren Lenksäule gekoppelt werden können, so dass beim Einstellen eines bestimmten Viskositätswertes der Substanz die Lenksäule gehalten wird und beim Einstellen einer geringeren Viskosität die bewegbare Lenksäule stufenlos in eine gewünschte Position eingestellt werden kann. Unter rheologisch aktiven Substanzen werden im Allgemeinen solche Substanzen verstanden, bei denen die Viskositätsänderung zum einen ausreichend groß, im Bereich mehrerer Millipascalsekunden [mPa·s], sein muss, und zum anderen durch aktives Zutun, zum Beispiel durch Anlegen eines Feldes, geändert wird. Nicht darunter zu verstehen sind Substanzen, deren Viskosität sich aufgrund variabler Umgebungsbedingungen, wie zum Beispiel Temperatur und/oder Druck, ändert. Da im Kraftfahrzeug eine Bordspannung vorhanden ist, kann durch geeignetes Anlegen dieser Bordspannung das gewünschte elektrische oder magnetische Feld und somit die gewünschte Viskositätsänderung besonders einfach erzeugt werden.

Durch den Einsatz dieser Substanz ist eine aufwendige Klemmmechanik nicht mehr notwendig, so dass sich ein solcher einfach aufgebauter Klemmmechanismus platzsparend im Kraftfahrzeug unterbringen lässt. Vorteilhaft ist auch, dass bei dem erfindungsgemäßen Klemmmechanismus die bisher notwendigen mechanische Kräfte des Fahrers zum Sperren und Öffnen vermieden werden, da ein elektrisches oder magnetisches Feld durch einfaches Schließen und Öffnen eines Stromkreises erzeugt werden kann.

Demgemäss schlagen die Erfinder vor, einen Klemmmechanismus einer in axialer und/oder vertikaler Richtung gegen eine Karosserie eines Kraftfahrzeuges verstellbaren Lenksäule, mit einem ersten Befestigungsmittel, welches mit der Karosserie des Kraftfahrzeuges verbunden ist, einem zweiten Befestigungsmittel, welches mit der Lenksäule verbunden ist und einer zwischen dem ersten und dem zweiten Befestigungsmittel angeordneten Koppelvorrichtung, die zum Fixieren der Lenksäule die Bewegung zwischen dem ersten und dem zweiten Befestigungsmittel mit Hilfe eines sperr-/entsperrbaren Koppelmittels sperrt und zum Verstellen der Lenksäule die Bewegung der Lenksäule zwischen dem ersten und dem zweiten Befestigungsmittel ermöglicht, dahingehend zu verbessern, dass das Koppelmittel aus einer Substanz besteht, deren Viskosität durch Anlegen eines elektrischen und/oder magnetischen Feldes einstellbar ist und je nach eingestellter Viskosität die Koppelvorrichtung sperrt oder entsperrt.

Hierdurch wird erreicht, dass eine Klemmung der Lenksäule durch Anlegen eines elektrischen und/oder magnetischen Feldes erzeugt wird. Üblicherweise werden solche Felder durch Stromzufuhr an eine Spule oder einen Kondensator erreicht. Hierfür ist lediglich das Betätigen eines Schaltelementes notwendig und es bedarf keines manuellen Kraftaufwandes.

Als Substanz eignet sich hierfür besonders eine elektrorheologische und/oder magnetorheologische Flüssigkeit, die beim Anlegen eines elektrischen und/oder magnetischen Feldes von einem hochviskosen pastösen Zustand in einen Zustand mit geringerer Viskosität übergeht oder umgekehrt. Befindet sich die Flüssigkeit bei angelegtem Feld in einem niederviskosen Zustand, so ist die Bewegung der Lenksäule zum Verstellen der gewünschten Lenksäulenposition freigegeben. Hierbei ist lediglich der minimale Widerstand beim Durchfahren oder beim Bewegen der Flüssigkeit mit ihrer Viskosität zu überwinden. Ein zusätzlicher Vorteil der sich durch diesen komfortablen Klemmmechanismus der Lenksäule ergibt, ist, dass keine zusätzlichen Widerstandsmomente aufgrund störender Verstellmechanik auftreten. Hierdurch wird insgesamt die Handkraft beim Bewegen der Lenksäule angenehm niedrig gehalten. Durch die Kopplung der Lenksäule mit der Fahrzeugkarosserie über ein flüssiges Medium ist es möglich, die Lenksäule stufenlos in jeder Position einzustellen und dann zu fixieren. Demgegenüber boten die bisher bekannten Klemmmechanismen, die zum Beispiel durch Zahnräder realisiert wurden, lediglich eine Fixierung der Lenksäule an rasterartigen Einrastpositionen. Um die Lenksäule in der gewünschten Position zu fixieren, wird die Flüssigkeit durch Anlegen oder Trennen eines elektrischen und/oder magnetischen Feldes in den hochviskosen pastösen Zustand überführt. Durch die Erhöhung der Viskosität wird die Zähigkeit der Flüssigkeit erhöht, wodurch der Widerstand beim Durchfahren der nun zähen Flüssigkeit nicht mehr überwunden werden kann und dadurch die Bewegung der Lenksäule verhindert wird.

Es ist günstig, wenn sich die Substanz in einem abgedichteten Gefäß befindet, indem ein bewegliches Element derart gelagert ist, so dass das bewegliche Element abhängig von der Viskosität der Substanz durch die Substanz hindurch bewegt werden kann oder das bewegliche Element in der Substanz unbeweglich gehalten wird. Durch das abgedichtete Gefäß wird zum einen ein Ausfließen der Substanz verhindert und zum anderen werden Alterungseffekte der Substanz durch diese isolierte Lagerung unterdrückt. Dieses Gefäß kann an den Bauraum des Fahrzeuges angepasst werden.

Alternativ dazu kann das abgedichtete Gefäß auch so ausgebildet sein, dass das bewegliche Element abhängig von der Viskosität der Substanz die Substanz innerhalb des Gefäßes bewegen kann. An dem Gefäß könnte ein Ausgleichsvolumen vorhanden sein, in das die Substanz verdrängt wird, sobald die Viskosität ein Verdrängen der Substanz in das Ausgleichsvolumen zulässt. Beispielsweise könnte das Ausgleichsvolumen durch eine Zuleitung mit geringem Durchmesser mit der Substanz in Verbindung stehen. Abhängig von der Viskosität kann die Substanz durch diese Zuleitung in das Ausgleichsvolumen fließen oder nicht.

In einer vorteilhaften Ausführung des beweglichen Elementes weist dieses innerhalb der Substanz Mittel auf, vorzugsweise Flächenelemente, die zum Beispiel als gelochte Platten oder Fahnen ausgeführt sein können. Diese Flächenelemente vergrößern die Berührungsfläche oder Kontaktfläche des beweglichen Elementes mit der Substanz und vergrößern somit die innere Reibung. So zeigen manchen Substanzen beim Anlegen eines elektrischen und/oder magnetischen Feldes nur eine geringfügige Änderung der Viskosität im Bereich weniger Millipascalsekunden. Diese Viskositätsänderung würde bei solchen bewegbaren Elementen, die ohne die Flächenelemente ausgeführt sind, nicht ausreichen, um das bewegliche Element innerhalb der Substanz fixieren zu können. Werden innerhalb der Substanz derartige Flächenelemente am bewegbaren Element angebracht, können nunmehr auch Substanzen in diesem Klemmmechanismus eingesetzt werden, die nur eine geringfügige Änderung der Viskosität zeigen.

Die rheologisch aktive Substanz kann in einem bekannten Hydraulikzylinder eingefüllt sein, wie er im Bereich der Hydraulik und Pneumatik bereits häufig eingesetzt wird. Das bewegliche Element wird dann durch den Druckstempel des Hydraulikzylinders gebildet. Der Druckstempel kann an der Stempelfläche kleine Öffnungen aufweisen, um sich durch die rheologisch aktive Substanz hindurchbeiwegen zu können. Zwischen Hydraulikzylinderinnenwand und Stange des Druckstempels sollte ein Dichtelement angeordnet sein, zum Beispiel ein Simmerring, der die rheologisch aktive Substanz gegen Ausfließen sichert und gleichzeitig eine Bewegung der Stange des Druckstempels innerhalb der Dichtung ermöglicht. Durch die weitverbreiteten Einsatzgebiete, sind solche Hydraulikzylinder besonders kostengünstig und in verschiedenen Ausführung am Markt verfügbar.

Die Substanz sollte bei angelegtem elektrischen und/oder magnetischen Feld eine geringere Viskosität aufweisen als ohne elektrisches und/oder magnetisches Feld, wodurch eine Bewegung des beweglichen Elementes innerhalb der Substanz und somit eine Bewegung der Lenksäule zur Karosserie des Fahrzeuges ermöglicht wird. Hierdurch wird erreicht, dass nur durch Anlegen des elektrischen und/oder magnetischen Feldes, die Bewegung der Lenksäule bezüglich der Karosserie frei gegeben wird. Es wird also nur dann Strom zum Erzeugen des elektrischen und/oder magnetischen Feldes verbraucht, wenn die Lenksäulenposition verändert werden soll.

Liegt kein elektrisches und/oder magnetisches Feld an der Substanz an, sollte diese eine derart hohe Viskosität aufweisen, dass eine Bewegung des beweglichen Elementes und somit eine Bewegung der Lenksäule bezüglich der Karosserie des Fahrzeuges verhindert wird. Soll also die Lenksäule fixiert werden, ist hierzu kein elektrisches und/oder magnetisches Feld notwendig und somit auch kein Strom zum Erzeugen/Aufrechterhalten dieser Felder. Insgesamt kann der Klemmmechanismus so besonders energiesparend betrieben werden.

Ein Klemmmechanismus mit besonders hoher Klemmmkraft lässt sich dadurch realisieren, dass eine Substanz eingesetzt wird, die ohne angelegtes elektrisches und/oder magnetisches Feld eine unendlich hohe Viskosität und somit einen festen Aggregatzustand aufweist. So kann die Substanz zum Lösen der Kopplung vom festen Aggregatzustand in den flüssigen Aggregatzustand und zum Klemmen der Lenksäule umgekehrt, vom flüssigen Aggregatzustand in den festen Aggregatzustand, überführt werden. Im festen Aggregatzustand ist ein Verschieben der Moleküle der Substanz nicht mehr möglich, wodurch eine Klemmung mit hoher Klemmkraft erreicht wird.

Es ist günstig, wenn die Viskosität beim Anlegen eines elektrischen und/oder magnetischen Feld sich um mindestens einen Faktor 2, vorzugsweise um mindestens einen Faktor 100, vorzugsweise um mindestens einen Faktor 1000, ändert. Je größer die Viskositätsänderung der Substanz ist, desto größer ist auch der mögliche einstellbare Widerstandsbereich des Klemmmechanismus. Somit kann zum einen, ohne angelegtes elektrisches und/oder magnetisches Feld durch eine sehr hohe Viskosität eine sehr hohe Klemmkraft erreicht werden und zum anderen bei angelegtem elektrischen und/oder magnetischen Feld durch die große Viskositätsreduzierung eine sehr geringe Widerstandkraft beim Verfahren der Lenksäule erreicht werden.

Vorteilhaft kann es sein, wenn die Substanz thixotrope Viskositätseigenschaften aufweist. Bei einer thixotropen Flüssigkeit kann beispielweise beim Einwirken einer schnellen Scherkraft die Viskosität sinken, das heißt sie wird „dünnflüssiger". Prallt beispielsweise bei einem Auffahrunfall der Fahrer des Fahrzeuges mit dem Kopf auf den geöffneten Airbag, so wird die Kraft, aufgrund des Aufpralls des Kopfes, über den Airbag auf die Lenksäule und somit auch auf die thixotrope Flüssigkeit übertragen. Aufgrund ihrer thixotropen Eigenschaften sinkt durch die übertragene Kraft die Viskosität der Flüssigkeit. Diese Abnahme der Viskosität stellt eine zusätzliche Dämpfung für den Aufprall des Kopfes dar, da die Lenksäule sich innerhalb der „dünnflüssigeren" Flüssigkeit vom Kopf wegbewegen kann. Durch diesen "nachgiebigen" Klemmmechanismus können im Vergleich zu den starren Klemmvorrichtungen besonders Verletzungen bei Unfällen reduziert werden.

Um das zum Aktivieren einer magnetorheologischen Substanz notwendige magnetische Feld einfach erzeugen zu können ist es günstig, wenn zumindest eine Spule mit elektrischen Anschlüssen in der Nähe der Substanz angeordnet ist. Durch Anlegen einer veränderbaren Spannung kann auch ein variables magnetisches Feld erzeugt werden, um somit die Einstellung der Viskosität der Substanz zu ermöglichen Andererseits kann ein Permanentmagnet zur Substanz hin und von dieser weg bewegt werden, damit das Magnetfeld die Substanz wahlweise durchdringt oder nicht durchdringt, beziehungsweise es können zwei Magnete in ihrer Polung wechselseitig so ausgerichtet werden, dass sich ein Magnetfeld verstärkt oder schwächt.

Das zum Aktivieren einer elektrorheologischen Substanz notwendige elektrische Feld kann besonders einfach durch zumindest zwei elektrische Pole mit elektrischen Anschlüssen realisiert werden. Die elektrischen Pole können innerhalb und außerhalb der Substanz angeordnet sein, zum Beispiel innerhalb oder außerhalb des Gefäßes, in dem sich die Substanz befindet. Vorzugsweise können die Pole als Platten eines Kondensators ausgebildet sein. Durch Anlegen einer veränderbaren Spannung kann dann ein variables elektrisches Feld erzeugt werden, wodurch die Einstellung der Viskosität der Substanz, die dann im Kondensator als Dielektrikum fungiert, ermöglicht wird.

Es ist vorteilhaft, wenn zumindest ein Schaltelement zwischen zumindest einem der elektrischen Anschlüsse angeordnet ist, welches eine Zuführung oder Abschaltung einer Spannung an die zumindest eine Spule und/oder die zumindest zwei elektrischen Pole ermöglicht. Dieser Schalter, der als Ein-/Aus-Schalter ausgeführt sein kann, sollte für den Fahrer in einer günstigen Position im Fahrzeugcockpit untergebracht sein. Über den Schalter wird der neue Klemmmechanismus aktiviert oder deaktiviert. Dieser Schalter ersetzt somit die bei bisherigen Klemmmechanismen eingesetzten Hebelelemente, die umständlich im Bereich der Lenksäule angebracht waren.

Eine Möglichkeit, um die axiale Bewegbarkeit der Lenksäule im Fall eines Fahrzeugunfalls positiv auszunutzen, kann dadurch realisiert werden, dass eine Schaltung vorgesehen ist, die vorzugsweise eine Verbindung zur Elektronik des Fahrzeugairbags aufweist, die im Falle eines Unfalles das elektrische und/oder magnetische Feld automatisch ein- oder ausschaltet. Durch diese Schaltung kann beim Zünden des Airbags gleichzeitig ein elektrischer Impuls zur Substanz gesendet werden, wodurch entweder der Aggregatzustand von fest zu flüssig geändert wird oder die Substanz vom hochviskosen Zustand in einen Zustand geringerer Viskosität überführt wird oder umgekehrt. Im flüssigen Zustand beziehungsweise im Zustand geringerer Viskosität der Substanz kann die Lenksäule in axialer Richtung bewegt werden, wodurch die Lenksäule beim Aufprall des Fahrerkopfes diesem ausweichen oder sogar eine gezielt steuerbare Dämpfung erzeugen kann. Hierdurch trägt dieser besondere Klemmmechanismus zur Verringerung von Verletzungen während eines Unfalles bei.

Neben dem soeben beschriebenen Klemmmechanismus schlagen die Erfinder auch ein Verfahren zum Klemmen einer in axialer und/oder vertikaler Richtung verstellbaren Lenksäule gegen eine Karosserie eines Kraftfahrzeuges vor, wobei zum Positionsfixieren der Lenksäule die Bewegung der Lenksäule gesperrt und zum Verstellen der axialen und/oder der vertikalen Position der Lenksäule die notwendige Bewegung der Lenksäule ermöglich wird. In diesem Verfahren wird die verstellbare Lenksäule über eine rheologisch aktive Substanz an die Karosserie gekoppelt und ein elektrisches und/oder magnetisches Feld an der Substanz angelegt, wodurch die Viskosität der Substanz eingestellt werden kann und je nach eingestellter Viskosität die Bewegung der Lenksäule gesperrt oder entsperrt wird.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgenden Beschreibungen bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.
Die Figuren zeigen im Einzelnen:
1 und 2: Zwei verschiedene Ausführungen eines Klemmmechanismus für eine in axialer und/oder vertikaler Richtung verstellbaren Lenksäule;
3: Seitenansicht auf eine besondere Ausführung einer Koppelvorrichtung eines Klemmmechanismus;
4: Seitenansicht auf die Koppelvorrichtung aus 3 mit geänderter Aktivierung der Substanz;
5: Detailansicht auf einen vergrößerten Ausschnitt eines Hydraulikzylinders innerhalb der Koppelvorrichtung aus 3.
Die 1 zeigt in einer perspektivischen Ansicht eine bevorzugte Ausführung eines Klemmmechanismus für eine in axialer und/oder vertikaler Richtung verstellbare Lenksäule 1. Der Klemmmechanismus besitzt in 1 nur auf einer Seite der verstellbaren Lenksäule 1 eine Verbindung 6 zu Fahrzeugkarosserie, wobei diese Verbindung auch auf beiden Seiten der verstellbaren Lenksäule 1 angeordnet sein kann.
Die Lenksäule 1 ist in vertikaler Richtung um einen Höhenbereich ΔH verstellbar ausgeführt, wodurch der Fahrzeugführer die verstellbare Lenksäule 1 in der Höhe an dessen gewünschte Beinfreiheit anpassen kann. Um den Abstand des Lenkrades vom Fahrer variieren zu können, kann die verstellbare Lenksäule 1 in axialer Richtung, um einen Längenbereich ΔL, verstellt werden. Hierdurch ergibt sich für die verstellbare Lenksäule 1 ein Lenksäulenverstellfeld ΔH × ΔL, das durch die gestrichelt eingerahmte Fläche symbolisiert wird.
Die verstellbare Lenksäule 1 weist im oberen Bereich einen Anschluss 2 für das Lenkrad auf. Quer zur verstellbaren Lenksäule 1 ist eine Verstellachse 3.2 angeordnet, die eine Verbindung 4 mit der verstellbaren Lenksäule 1 aufweist.
Die Koppelvorrichtung dieses Klemmmechanismus besteht in dieser Ausführung aus einem karosserieseitig befestigten Gefäß 5.1, in dem sich eine rheologische Substanz (nicht in 1 dargestellt) befindet. Die Substanz im Gefäß 5.1 ändert durch ein erzeugtes elektrische Feldes ihren Aggregatzustand von fest zu flüssig. Die Verstellachse 3.2, die über die Verbindung 4 an der Lenksäule befestigt ist, wird in dieser Substanz gelagert, wobei im flüssigen Zustand die Substanz durch ein verschiebbares Dichtelement 5.4 gegen Ausfließen gesichert ist. Soll die verstellbare Lenksäule 1 in axialer oder vertikaler Richtung verstellt werden, so wird an den elektrischen Zuleitungen 7 durch Betätigen eines Schalters 7.1 eine geeignete Spannung, zum Beispiel die Fahrzeugbordspannung, angelegt. Durch das Anlegen der Spannung und das dadurch entstehende elektrische Feld wird der Aggregatzustand der rheologischen Substanz von fest zu flüssig geändert. Hierdurch wird die Verstellachse 3.2 innerhalb der Substanz des Gefäßes 5.1 bewegbar. Der mögliche Bewegungsbereich der Verstellachse 3.2 ist durch die beiden orthogonalen Doppelpfeile am Dichtelement 5.4 symbolisiert. Nachdem die verstellbare Lenksäule 1 stufenlos an die gewünschte Position bewegt wurde, kann durch Trennen der Spannung, also durch Öffnen des Schalters 7.1 und somit Abbau des elektrischen Feldes, die verstellbare Lenksäule 1 fixiert werden. Beim Trennen der Spannung geht die Substanz wieder in den festen Aggregatzustand über, wodurch eine feste Verbindung der Lenksäule 1 über die lenksäulenseitig befestigte Verstellachse 3.2, die im festen Aggregatzustand befindliche Substanz und das Gefäß 5.1 zur Fahrzeugkarosserie geschaffen wird.
Die Vorteile dieser besonderen Ausführung des Klemmmechanismus sind unter anderem der besonders kompakte Aufbau, der vorteilhaft links und/oder rechts neben der Lenksäule im Bereich des Fahrzeugcockpits angeordnet werden kann und somit den Fahrer im Lenksäulenbereich nicht stört. Ein weiterer Vorteil dieser Ausführung ist, dass bisherige Hebelelemente für die Arretierung der Klemmvorrichtung nicht mehr notwendig sind. Diese Hebelelemente stellten bisher bei einem Unfall für den Fahrer eine zusätzliche Gefahren- und Störstelle im Bereich der Lenksäule dar. Diese Hebelelemente können besonders einfach durch den, an günstiger Stelle im Fahrzeugcockpit angeordneten, Schalter ersetzt werden.
Die 2 zeigt in einer perspektivischen Ansicht eine weitere bevorzugte Ausführung eines Klemmmechanismus für eine in axialer und/oder vertikaler Richtung verstellbare Lenksäule 1. Im Unterschied zu der Ausführung in 1 weist das Gefäß 5.2, welches die Koppelvorrichtung dieses Klemmmechanismus bildet, eine Verbindung 4 mit der Lenksäule 1 auf. Die Verstellachse 3.1 verfügt an beiden Enden über eine Verbindung 6 zur Fahrzeugkarosserie. Die karosserieseitig befestigte Verstellachse 3.1 durchdringt das Gefäß 5.2.
Die Funktionsweise des Klemmmechanismus ist analog zu dem in 1. Im Gefäß 5.2 befindet sich eine rheologische Substanz (nicht in 2 dargestellt). Diese Substanz weist genauso einen elektrorheologischen Effekt auf und ändert durch Anlegen eines elektrischen Feldes ihren Aggregatzustand von fest zu flüssig. Die karosserieseitig befestigte Verstellachse 3.1 wird in der Substanz gelagert, wobei die Substanz durch zwei Dichtelemente 5.4 auf beiden Seiten des Gefäßes 5.2 gegen Ausfließen gesichert ist. Soll die verstellbare Lenksäule 1 in axialer oder vertikaler Richtung verstellt werden, so wird an den elektrischen Zuleitungen 7 durch Einschalten des Schalters 7.1 eine Spannung und somit ein elektrisches Feld an der Substanz angelegt. Durch das Anlegen der Spannung wird der Aggregatzustand der elektrorheologischen Substanz von fest zu flüssig geändert. Hierdurch wird die Verstellachse 3.1 innerhalb der Substanz des Gefäßes 5.2 bewegbar. Dies ist durch die beiden orthogonalen Doppelpfeile am Dichtelement 5.4 symbolisiert. Nachdem die verstellbare Lenksäule 1 stufenlos an die gewünschte Position bewegt wurde, kann durch Trennen der Spannung, also durch Öffnen des Schalters 7.1, die verstellbare Lenksäule 1 fixiert werden. Beim Trennen der Spannung und somit beim Abbau des elektrischen Feldes geht die Substanz wieder in den festen Aggregatzustand über, wodurch die Verstellachse 3.1 innerhalb der Substanz des Gefäßes 5.2 fixiert ist. Hierdurch wird eine feste Verbindung der Lenksäule 1 über das Gefäß 5.2, die feste Substanz und die Verstellachse 3.1 zur Fahrzeugkarosserie geschaffen.
Die 3 zeigt in einer Seitenansicht einen Schnitt durch eine besondere Ausführung einer Koppelvorrichtung 5.3. Diese Koppelvorrichtung 5.3 besteht aus einem rechteckigen Rahmen, in dem zwei Hydraulikzylindern 9 orthogonal zueinander angebracht sind. Die zwei Hydraulikzylinder 9 sind innerhalb des Rahmens um eine Drehachse 12 schwenkbar gelagert. In diesen Hydraulikzylindern 9 befindet sich jeweils die magnetorheologische Substanz 9.1, die am beweglichen Druckstempel 9.3 über ein Dichtelement 5.4 nach außen verschlossen wird. Die Druckstempel 9.3 sind an ihren Enden mit der Verstellachse 3.2 verbunden. Im Unterschied zur Substanz aus den 1 und 2, die durch Anlegen eines elektrischen Feldes aktiviert werden, wird die magnetorheologische Substanz 9.1 in 3 magnetisch aktiviert. Das heißt durch Erzeugen eines magnetischen Feldes wird der Aggregatzustand der Substanz 9.1 von fest zu flüssig geändert. Um ein Magnetfeld zu erzeugen, ist in der Nähe der Hydraulikzylinder 9 jeweils eine Spule 8 angeordnet. Wird die Spule 8 mit Strom versorgt, so ändert das im Außenbereich der Spule 8 entstehende Magnetfeld, welches die Substanz 9.1 im Hydraulikzylinder 9 durchdringt, den Aggregatzustand der Substanz 9.1 von fest zu flüssig. Hierdurch sind beide Druckstempel 9.3 im Hydraulikzylinder 9 und somit auch die mit den Druckstempeln 9.3 verbundene Verstellachse 3.2 bewegbar. Der mögliche einstellbare Verfahrbereich 11 der Enden der Druckstempel 9.3 und der mit den Enden verbundenen Verstellachse 3.2 wird durch den quadratischen Ausschnitt in der Mitte des Rahmens der 3 symbolisiert. Soll die Bewegung der Druckstempel 9.3 verhindert werden, wird das Magnetfeld der Spulen 8 abgeschaltet. Hierdurch ändert die Substanz 9.1 ihren Aggregatzustand von flüssig zu fest. Wodurch sowohl die beiden Druckstempel 9.3 als auch die am Ende mit diesen verbundene Verstellachse 3.2 fixiert werden/wird.
Die 4 zeigt eine Seitenansicht auf die Koppelvorrichtung aus 3, wobei im Unterschied zu 3, die Substanz 9.2 einen elektrorheologischen Effekt zeigt und eine Änderung der Viskosität durch ein elektrisches Feld erreicht wird. Um ein elektrisches Feld zu erzeugen, welches die Substanz 9.2 durchdringt, sind rechts und links neben dem oberen Druckzylinder 9 Kondensatorplatten 13 angeordnet. Durch Einschalten des Schalters 7.1 wird zwischen den Platten eine homogenes elektrisches Feld erzeugt.
Eine weitere mögliche Anordnung der Kondensatorplatten 13 wird am Hydraulikzylinder 9, der zum oberen Hydraulikzylinder 9 um 90 Grad verdreht angebracht ist, dargestellt. Hier sind beide Kondensatorplatten 13 direkt innerhalb der Substanz 9.2 angebracht. Zwischen den Kondensatorplatten 13 bewegt sich der Hydraulikstempel 9.3. Durch diesen direkten Kontakt der Kondensatorplatten 13 mit der elektrorheologischen Substanz 9.2 kann ein höheres elektrisches Feld erzeugt werden.
Die 5 zeigt eine Detailansicht auf einen Ausschnitt eines Hydraulikzylinders 9 aus 3, in dem sich eine Substanz 9.1 befindet. Analog zu 3 zeigt diese Substanz 9.1 einen magnetorheologischen Effekt. In dieser besonderen Ausführung wird der Hydraulikzylinder 9 als Spulenkern benutzt. Hierzu ist der Hydraulikzylinders 9 mit mehreren stromführenden Spulenwicklungen umgeben, von denen in 4 der Querschnitt 8.1 dargestellt ist. Es wird also das homogenere Magnetfeld im Inneren der Spule genutzt. Um im festen Aggregatzustand der Substanz 9.1 einen besonders sicheren Halt für den Druckstempel 9.3 gewährleisten zu können, weist dieser innerhalb der Substanz 9.1 zusätzlich zur gelochten Druckstempelfläche einen Flügel 10 auf. Durch diesen Flügel 10 kann die Berührungsfläche des Druckstempels 9.3 innerhalb der Substanz 9.1 erhöht werden und somit wird auch die innere Reibungskraft erhöht.
Insgesamt wird also durch die Erfindung ein Klemmmechanismus für eine in axialer und/oder vertikaler Richtung verstellbare Lenksäule zur Verfügung gestellt, der eine Fixierung der Lenksäule in stufenlose einstellbaren Positionen ermöglicht, wobei die Kräfte regelbar und zum Verstellen der Lenksäule bzw. zum Fixieren des Klemmmechanismus möglichst gering sind und dieser Klemmmechanismus gleichzeitig einen unkomplizierten und wenige Bauteile umfassenden Aufbau aufweist.
Dieser Klemmmechanismus für die Lenksäule kann sowohl bei manuell verstellbarer Lenksäule als auch bei automatisch verstellbaren Lenksäulen eingesetzt werden.

1: Verstellbare Lenksäule
2: Lenkradanschluss
3.1: Karosserieseitig befestigte Verstellachse
3.2: Lenksäulenseitig befestigte Verstellachse
4: Verbindung zur Lenksäule
5.1: Karosserieseitig befestigtes Gefäß, welches eine rheologische Substanz
: beinhaltet
5.2: Lenksäulenseitig befestigtes Gefäß, welches eine rheologische Substanz
: beinhaltet
5.3: Besondere Koppelvorrichtung, die aus zwei Hydraulikzylindern besteht,
: die jeweils mit einer rheologischer Substanz gefüllt sind
5.4: Dichtelement
6: Verbindung zur Fahrzeugkarosserie
7: Elektrische Zuleitungen
7.1: Schalter
8: Spule
8.1: Querschnitt durch Spulenwicklung
9: Hydraulikzylinder
9.1: Magnetorheologische Substanz
9.2: Elektrorheologische Substanz
9.3: Druckstempel des Hydraulikzylinders
10: Flügel zur Vergrößerung der Abstützwirkung in der rheologischen
: Substanz
11: Verfahrbereich
12: Drehachse der Hydraulikzylinder
13: Kondensatorplatte
ΔH: Höhenbereich, um den die Lenksäule in vertikale Richtung verstellt
: werden kann
ΔL: Längenbereich, um den die Lenksäule in axialer Richtung verstellt
: werden kann
ΔH × ΔL: Lenksäulenverstellfeld (gestrichelt eingerahmte Fläche)

Claims

Klemmmechanismus einer in axialer und/oder vertikaler Richtung gegen eine Karosserie eines Kraftfahrzeuges verstellbaren Lenksäule (1), mit mindestens: – einem ersten Befestigungsmittel (6), welches mit der Karosserie des Kraftfahrzeuges verbunden ist, – einem zweiten Befestigungsmittel (4), welches mit der Lenksäule (1) verbunden ist und – einer zwischen dem ersten (6) und dem zweiten Befestigungsmittel (4) angeordneten Koppelvorrichtung (5.1 bis 5.3), die zum Fixieren der Lenksäule (1) die Bewegung zwischen dem ersten (6) und dem zweiten Befestigungsmittel (4) mit Hilfe eines sperr-/entsperrbaren Koppelmittels sperrt und zum Verstellen der Lenksäule (1) die Bewegung der Lenksäule (1) zwischen dem ersten (6) und dem zweiten Befestigungsmittel (4) ermöglicht, dadurch gekennzeichnet, dass das Koppelmittel aus einer Substanz (9.1 und 9.2) besteht, deren Viskosität durch Anlegen eines elektrisches und/oder magnetischen Feldes einstellbar ist und je nach eingestellter Viskosität die Koppelvorrichtung (5.1 bis 5.3) sperrt oder entsperrt.
Klemmmechanismus gemäß Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Substanz (9.1 und 9.2) sich in einem abgedichteten Gefäß (9, 5.1 und 5.2) befindet, in dem ein bewegliches Element (9.3, 3.1 und 3.2) derart gelagert ist, so dass das bewegliche Element (9.3, 3.1 und 3.2) abhängig von der Viskosität der Substanz (9.1 und 9.2) durch die Substanz (9.1 und 9.2) hindurch bewegt werden kann oder das bewegliche Element (9.3, 3.1 und 3.2) in der Substanz (9.1 und 9.2) unbeweglich gehalten wird.
Klemmmechanismus gemäß Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Substanz (9.1 und 9.2) sich in einem abgedichteten Gefäß (9, 5.1 und 5.2) befindet, in dem ein bewegliches Element (9.3, 3.1 und 3.2) derart gelagert ist, so dass das bewegliche Element (9.3, 3.1 und 3.2) abhängig von der Viskosität der Substanz (9.1 und 9.2) die Substanz (9.1 und 9.2) bewegt und vorzugsweise in ein Ausgleichsvolumen verdrängt.
Klemmmechanismus gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das bewegliche Element (9.3, 3.1 und 3.2) innerhalb der Substanz (9.1 und 9.2) Mittel aufweist, vorzugsweise Flächenelemente (10), die eine Berührungsfläche und somit die innere Reibung des beweglichen Elementes (9.3, 3.1 und 3.2) innerhalb der Substanz (9.1 und 9.2) vergrößert.
Klemmmechanismus gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Substanz (9.1 und 9.2) in einem Hydraulikzylinder (9) befindet und das bewegliche Element durch einen Druckstempel (9.3) gebildet wird.
Klemmmechanismus gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Substanz (9.1 und 9.2) bei angelegtem elektrischen und/oder magnetischen Feld eine geringere Viskosität aufweist als ohne elektrisches und/oder magnetisches Feld.
Klemmmechanismus gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Substanz (9.1 und 9.2) ohne angelegtes elektrisches und/oder magnetischen Feld eine sehr hohe Viskosität und vorzugsweise einen pastösen Zustand aufweist.
Klemmmechanismus gemäß Patentanspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ohne angelegtes elektrisches und/oder magnetischen Feld die Substanz (9.1 und 9.2) einen festen Aggregatzustand aufweist.
Klemmmechanismus gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Substanz (9.1 und 9.2) durch Anlegen eines elektrischen und/oder magnetischen Feldes eine Veränderung der Viskosität um mindestens einen Faktor 2, um mindestens einen Faktor 100 oder um mindestens einen Faktor 1000 aufweist.
Klemmmechanismus gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Substanz (9.1 und 9.2) thixotrope Viskositätseigenschaften aufweist.
Klemmmechanismus gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Spule (8) mit elektrischen Anschlüssen (7) in der Nähe der Substanz (9.1) angeordnet ist, die durch Anlegen einer veränderbaren Spannung ein variables magnetisches Feld erzeugt und somit die Einstellung der Viskosität der Substanz (9.1) ermöglicht.
Klemmmechanismus gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei elektrische Pole (13) mit elektrischen Anschlüssen (7) in der Nähe der Substanz (9.2) vorgesehen sind, wobei die Pole (13) vorzugsweise als Kondensator ausgebildet sind.
Klemmmechanismus gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Schaltelement (7.1) zwischen zumindest einem der elektrischen Anschlüsse (7) angeordnet ist, welches ein Anschalten/Abschalten der Spannung ermöglicht.
Klemmmechanismus gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schaltung vorgesehen ist, die im Falle eines Unfalles das elektrische und/oder magnetische Feld automatisch erzeugt oder ausschaltet.
Verfahren zum Klemmen einer in axialer und/oder vertikaler Richtung verstellbaren Lenksäule (1) gegen eine Karosserie eines Kraftfahrzeuges, wobei zum Fixieren der Lenksäule (1) die Bewegung der Lenksäule (1) gesperrt und zum Verstellen der Lenksäule die Bewegung der Lenksäule (1) ermöglich wird, dadurch gekennzeichnet, dass die verstellbare Lenksäule (1) mittelbar oder unmittelbar über eine rheologisch aktive Substanz (9.1 und 9.2) an die Karosserie gekoppelt wird und ein elektrisches und/oder magnetisches Feld an der Substanz (9.1 und 9.2) angelegt wird, wodurch die Viskosität der Substanz eingestellt werden kann und je nach eingestellter Viskosität die Bewegung der Lenksäule (1) gesperrt oder entsperrt wird.