-
Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine elektrisch verstellbare
Lenksäule,
wie sie in Kraftfahrzeugen eingesetzt wird. Die Erfindung betrifft
insbesondere eine Lenksäule,
deren mit dem Lenkrad verbundenes inneres Axialgehäuse (Mantelrohr)
im Crashfall, d.h. beim Einwirken von starken Kräften auf das Lenkrad, in axialer
Richtung in das äußere Gehäuse teleskopisch
eingeschoben wird.
-
Im
Fahrzeugbau werden Kraftfahrzeug-Lenksäuleneinheiten in Personenkraftwagen und
Lastkraftwagen eingebaut. Generell sind heutige Lenksäulen teleskopierbar
und kippbar, so dass elektrisch oder manuell eine Längsverstellung
und eine Neigungsverstellung der Lenksäule vorgenommen werden kann.
Dazu ist der Lenkstrang in ein Axialgehäuse (auch als Mantelrohr bezeichnet)
integriert welches wiederum in einem Gehäuse drehfest gelagert ist.
Der Lenkstrang besteht aus sämtlichen
das Lenkmoment übertragenden
Teilen, vom Lenkrad über
mittels Kreuzgelenk verbundenen Lenkspindeln bis zum Lenkgetriebe
im Vorderwagenbereich. Die Neigungsverstellung erfolgt durch einen
geeigneten Verstellmechanismus der das Gehäuse und damit das Lenkrad entsprechend
kippt. Die Längsverstellung
erfolgt durch einen weiteren Verstellmechanismus, der das Mantelrohr
in das Gehäuse
ein bzw. ausfährt.
Dazu ist das Mantelrohr üblicherweise
in einer Kugelführung
in dem Gehäuse
gelagert.
-
Um
im Falle eines frontalen Aufpralls des Wagens auf ein Hindernis
(engl.: Crash) den Fahrer zu schützen
ist die Lagerung des Mantelrohres in dem Gehäuse so ausgebildet, dass ein
gedämpftes Eindringen
des Mantelrohres in das Gehäuse
erfolgt. Nach dem Stand der Technik sind zwischen Mantelrohr und
Gehäuse
Kunststoffringe eingelegt bzw. Kunststoffeinspritzungen vorhanden
die aufgrund ihrer Vorspannung, ihrer Reibung und/oder ihres Formschlusses
ein Kraftniveau definieren durch welches die Mindestkraft zu einem
teleskopischen Eindringen des Mantelrohres in das Gehäuse festgelegt
ist. Insbesondere bei formschlüssigen
Verbindungen zwischen Mantelrohr und Kunststoffeinspritzung bzw. zwischen
Gehäuse
und Kunststoffeinspritzung müssen
die formschlüssigen
Verbindungsbereiche abgeschert werden, wodurch ein verhältnismäßig hohes Kraftniveau
(Auslösekraft
bzgl. des teleskopischen Eindringens bei einem Crash) erzeugt wird.
Das Eindringen des Mantelrohres in das Gehäuse nach Abscheren der formschlüssigen Bereiche
erfolgt derzeit mehr oder weniger kontrolliert auf Basis der Reibungskraft
des Kunststoffes.
-
Eine
weitere Möglichkeit,
das Eindringen des Mantelrohres in das Gehäuse zu kontrollieren offenbart
die
DE 100 25 981
A1 . Hierbei sind verschiebbare Stifte vorgesehen, die je
nach gewünschter
Energieaufnahme, abhängig
von verschiedenen Parametern, mit einem oder mehreren verformbaren
Drähten in
Eingriff gebracht werden können.
Nachteilig an dieser Anordnung ist insbesondere der aufwendige mit zusätzlichen
Bauteilen Bauraum beanspruchende Aufbau. Des Weiteren ist die Energieaufnahme
nur in Stufen bestimmbar und als passives System ausgelegt. Das
Mantelrohr wird nicht aktiv gesteuert.
-
Ferner
ist aus der
EP 0 979
768 A2 eine teleskopisch kollabierbare Lenksäulenanordnung
bekannt, bei der ein hydraulischer Dämpfer vorgesehen ist, dessen
Fluidstrom bei einem Unfall in Abhängigkeit vom Fahrergewicht
und anderen Parametern gesteuert werden kann. Auch hier stellt der
Dämpfer
ein separates Bauteil dar, welches einen zusätzlichen nicht unerheblichen
Bauraum beansprucht. Zudem wirkt auch diese Anordnung passiv, da
dass Mantelrohr durch einen Crash bewegt wird und lediglich die Energieaufnahme
durch den Dämpfer
begrenzt bzw. bestimmt wird.
-
Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher eine teleskopisch kollabierfähige Lenksäule gemäß dem Oberbegriff
der Ansprüche
1 und 11 bereitzustellen, deren teleskopisches Kollabier-Verhalten im Falle
eines Crashs kontrolliert bzw. gesteuert werden kann.
-
Die
oben genannte Aufgabe wird durch eine Kraftfahrzeug-Lenksäule gemäß den Merkmalen
der Ansprüche
1 und 11 gelöst.
Die abhängigen
Ansprüche
bilden den zentralen Gedanken der Erfindung in besonders vorteilhafter
Weise weiter.
-
Beansprucht
wird gemäß der vorliegenden Erfindung
eine Kraftfahrzeuglenksäuleneinheit
mit einem Gehäuse
und einem darin axial geführten
Mantelrohr, wobei das Gehäuse
fixiert ist und das Mantelrohr einen darin geführten Lenkstrang enthält. Erfindungsgemäß ist diese
Lenksäuleneinheit
so ausgebildet, dass zumindest ein Teil des Mantelrohres ein Bewegungsaußengewinde
aufweist, auf welchem eine Ankerscheibe mit einem mit dem Bewegungsaußengewinde
korrespondierenden Bewegungsinnengewinde aufgeschraubt ist, wobei
die Ankerscheibe in dem Magnetfeld eines mit dem Gehäuse fest
verbundenen Elektromagneten und in Axialrichtung ortsfest in Bezug
auf das Gehäuse
angeordnet ist, so dass die Rotation der Ankerscheibe und damit
die Axialbewegung des Mantelrohres durch den Elektromagneten steuerbar
ist.
-
Dabei
ist die Ankerscheibe vorteilhafterweise in dem Elektromagneten über zumindest
ein Axialkugelkranzlager gelagert.
-
Die
Steuerung der Ankerscheibenrotation und damit der Axialbewegung
des Mantelrohres erfolgt erfindungsgemäß durch Herstellen eines berührungslosen
Kraftschlusses zwischen dem Elektromagneten und der Ankerscheibe
durch den zur Energieabsorption die Ankerscheibe und damit die Axialbewegung
des Mantelrohres kontrolliert gebremst wird.
-
In
einer ersten möglichen
Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird die Bremswirkung durch in
der Ankerscheibe induzierte Wirbelströme bewirkt deren elektromagnetisches
Feld dem die Wirbelströme
induzierenden Feld dergestalt entgegenwirkt, dass eine Rotation
der Ankerscheibe abgebremst wird.
-
In
einer zweiten möglichen
Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung erfolgt die Bremswirkung durch
ständige
Ummagnetisierung eines in der Ankerscheibe enthaltenen Hysteresematerials,
wobei das Magnetfeld ein tangentiales Wechselfeld darstellt.
-
Vorteilhafterweise
ist der felderzeugende Elektromagnet konzentrisch um das Mantelrohr
bzw. um die Ankerscheibe angeordnet.
-
Dabei
besteht der felderzeugende Elektromagnet aus einem Magnetkern welcher
in einem Magnetgehäuse
integriert ist.
-
Weiterhin
erfolgt das Anlegen der Spannung am Elektromagnet erfindungsgemäß in Abhängigkeit von
den Crash-charakterisierenden Parametern.
-
Derartige
Crash-charakterisierenden Parameter können sein: Körpergröße und Gewicht
des Fahrers, Fahrer angeschnallt oder nichtangeschnallt, Fahrzeuggeschwindigkeit,
Elastizität
des Crashbeteiligten Hindernisses usw. Auf diese Weise kann ein adaptives
Crashverhalten der Lenksäule
erzeugt werden.
-
Bei
Vorhandensein einer elektromagnetischen Kupplung auf einer Verstellspindel
zur elektro-mechanischen Verstellung der Lenksäuleneinheit kann diese Kupplung
erfindungsgemäß ebenfalls
zur adaptiven Energieabsorption im Crash genutzt werden, vorrausgesetzt
dass das Gewinde der Verstellspindel nicht selbsthemmend ist.
-
Eine
Kraftfahrzeuglenksäuleneinheit
mit einem Gehäuse
und einem darin axial geführten
Mantelrohr, wobei das Gehäuse
fixiert ist und das Mantelrohr einen darin geführten Lenkstrang enthält, kann erfindungsgemäß auch eine
separate Spindel-Ankerscheiben-Elektromagnet-Baueinheit
aufweisen, die parallel zum Mantelrohr angeordnet ist.
-
Eine
solche Kraftfahrzeuglenksäuleneinheit kann
sich dadurch auszeichnen, dass die zumindest eine parallel zu wenigstens
einem Teil des Mantelrohres angeordnete Spindel ein Bewegungsaußengewinde
aufweist, auf welchem eine Ankerscheibe mit einem mit dem Bewegungsaußengewinde
korrespondierenden Bewegungsinnengewinde aufgeschraubt ist. Die
Ankerscheibe ist in dem Magnetfeld eines mit dem Gehäuse fest
verbundenen Elektromagneten und in Axialrichtung ortsfest in Bezug
auf das Gehäuse
angeordnet, so dass die Rotation der Ankerscheibe und damit die
Axialbewegung der Spindel zusammen mit dem Mantelrohr durch den Elektromagneten
steuerbar ist.
-
Weitere
Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung
werden nunmehr anhand von Ausführungsbeispielen
und unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren der Zeichnungen
erläutert.
-
1 zeigt im axialen Querschnitt
eine erfindungsgemäße teleskopierbare
Lenksäule
mit einer elektromagnetischen Bremsvorrichtung,
-
2 zeigt im axialen Querschnitt
eine detaillierte Darstellung der elektromagnetischen Bremsvorrichtung
der erfindungsgemäßen Lenksäule in Form
einer Hysteresebremse oder einer Wirbelstrombremse,
-
3 zeigt im transversalen
Querschnitt der elektromagnetischen Bremsvorrichtung den Magnetfeldverlauf
des felderzeugenden Magneten bei Verwendung einer Hysteresebremse,
-
4 zeigt im transversalen
Querschnitt der elektromagnetischen Bremsvorrichtung den Magnetfeldverlauf
des felderzeugenden Magneten bei Verwendung einer Wirbelstrombremse.
-
1 zeigt im axialen Querschnitt
eine mögliche
Ausführungsform
einer teleskopisch kollabierfähigen
Lenksäule
deren Kollabierverhalten bei einem Crash erfindungsgemäß geregelt
werden kann. Wie im Stand der Technik weiter oben beschrieben, befindet
sich auch hier der obere Teil des Lenkstranges (nicht dargestellt)
in einem Mantelrohr 2 welches über Kunststoffeinsätze und/oder
Kugelführungen (nicht
dargestellt) axial in einem Gehäuse 1 verdrehfest
gelagert ist. Das Gehäuse 1 ist
in der Regel an der Spritzwand fixiert. Am fahrerseitigen Ende des Mantelrohres
befindet sich das Lenkrad. Das Lenkradseitige Ende des Gehäuses 1 ist
mit dem Lagergehäuse 3 einer
elektromagnetischen Bremse 4 fest verbunden. Dieses Lagergehäuse 3 umschließt manschettenförmig das
Mantelrohr welches Lenkradseitig auf seiner Außenfläche ein Bewegungsaußengewinde 8a aufweist.
-
In
dem Lagergehäuse
ist zwischen der Bremse 4 und einer Lagerscheibe 7 ein
Mitnehmer (Ankerscheibe) 5 über Axialkugelkränze 6 drehbar aber
in axialer Richtung ortsfest gelagert. Dieser Mitnehmer 5 weist
Mantelrohr-seitig ein zum Bewegungsgewinde 8a des Mantelrohres
korrespondierendes Bewegungsinnengewinde 8b auf und befindet
sich mit dem Mantelrohr 2 in verschraubtem Zustand. Das
Bewegungsgewinde (Bewegungsaußengewinde 8a des
Mantelrohres mit Bewegungsinnengewinde 8b der Ankerscheibe
verschraubt) zeichnet sich im Unterschied zu einem gewöhnlichen
Befestigungsgewinde dadurch aus, dass bei einer axialen Verschiebung
des Mantelrohres 2 die Ankerscheibe 5 nicht blockiert,
sondern in Drehung versetzt wird. Somit ist das teleskopische Eindringen
des Mantelrohres 2 in das Gehäuse 1 im Falle eines
Crashs stets mit einer Rotationsbewegung der Ankerscheibe 5 verbunden.
Umgekehrt kann also durch entsprechende Kontrolle der Ankerscheibenrotation
Einfluss auf die Axialbewegung des Mantelrohres, also auf das Eindringen
des Mantelrohres in das Gehäuse, genommen
werden. Auf diese Weise ist es möglich, im
Falle eines Auffahrunfalls (Crash) eine hinsichtlich mehrerer Einflussgrößen (Geschwindigkeit,
Gewicht des Fahrers, usw.) optimierte Lenksäulenkollabierung zu bewirken,
die als solche eine minimale Verletzungsgefahr in der lenkradseitigen
Fahrgastzelle zur Folge hat.
-
Die
Kontrolle der Ankerscheibenrotation erfolgt erfindungsgemäß durch
gezielte elektromagnetische Wechselwirkung zwischen Ankerscheibe 5 und
Bremse 4. Dabei kann die Bremse 4 als Hysteresebremse
oder als Wirbelstrombremse ausgestaltet sein und über entsprechende
Strom-/Spannungsversorgung einen mehr oder weniger starken berührungslosen
Kraftschluss zwischen Ankerscheibe 5 und einem Magnetischem
(Wechsel-) Feld erzeugen, wie anhand der 2 bis 4 genauer
erklärt
werden soll.
-
2 zeigt im axialen Querschnitt
eine detaillierte Darstellung der elektromagnetischen Bremsvorrichtung
der erfindungsgemäßen Lenksäule. Im Inneren
des Lagergehäuses 3 der
Bremse ist die Ankerscheibe 5 in einem Luftspalt 11 zwischen
den Polen eines die Ankerscheibe 5 umgebenden Elektromagneten 10a, 10b bzw.
zwischen dessen Gehäuse über einen
oder mehreren Axialkugelkränzen 6 drehbar
gelagert. Ferner ist die Ankerscheibe 5 mit einem Bewegungsinnengewinde 8b auf
ein korrespondierendes Bewegungsaußengewinde 8a des
Mantelrohres 2 aufgeschraubt. Der Unterschied zwischen
Hysteresebremse und Wirbelstrombremse besteht in der Beschaffenheit
der Ankerscheibe 9a, 9b sowie in der Beschaffenheit
des Magnetfeldes B ⇀1, B ⇀2 in
dem die Ankerscheibe 10a, 10b gelagert ist.
-
Die
Arbeitsweise einer Hysteresebremse beruht auf magnetischer Kraftwirkung
sich anziehender Pole und ständiger
Ummagnetisierung eines dauermagnetischen "Hysteresematerials". Aus diesem Grunde ist bei der Hysteresebremse
in der zwischen den Polen des Elektromagneten 10a gelagerten
Ankerscheibe 9a Hysteresematerial integriert. Dieses Hysteresematerial
richtet sich entsprechend dem magnetischen Feldverlauf des Elektromagneten
aus. Der Feldverlauf ist durch den transversalen Schnitt A-A in 3 dargestellt. Wie man sieht,
liefert der Elektromagnet 10a einer Hysteresebremse ein
transversales Wechselfeld B ⇀1 das heißt, dass
sich transversal gesehen Nord- und Südpol des Magnetfeldes abwechseln.
Die Elementarmagnete des Hysteresematerials in der Ankerscheibe 9a richten
sich entsprechend dieses Feldverlaufes aus. Bereits eine geringe
Drehung der Ankerscheibe 10a hat eine Ummagnetisierung
des Hysteresematerials zur Folge und bedingt einen Kraftaufwand,
der dazu führt,
dass die Ankerscheibe 10a abgebremst wird.
-
Die
Arbeitsweise einer Wirbelstrombremse beruht auf der Bremswirkung
von magnetischen Wirbelfeldern die durch in der Ankerscheibe 10b induzierte
elektrische Wirbelströme
erzeugt werden. Aus diesem Grunde sind in der Ankerscheibe 10b Leiter-Schleifen bzw. Leiter-Spulen
integriert. Der feststehende elektromagnetische Erregerteil ist – wie bei der
Hysteresebremse – beidseitig
der Ankerscheibe 10b angeordnet, hat jedoch – wie in 4 dargestellt – transversal
einen homogenen Magnetfeldverlauf B ⇀2. Beim
Umlaufen der Ankerscheibe 10b werden durch die ständige Magnet-Fluss-Änderung
in den Wicklungen der Ankerscheibe 10b Wirbelströme induziert,
welche wiederum ein Magnetfeld hervorrufen das dem außen anliegendem
Magnetfeld gemäß der Lenzschen
Regel entgegenwirkt. Somit wird durch das äußere Magnetfeld eine Kraft
auf die Ankerscheibe 10b ausgeübt. Die Ankerscheibe 10b wird
abgebremst. Das dabei auftretende Bremsmoment kann durch Ändern des
Erregungsfeldes B ⇀2 über die Strom/Spannungsversorgung
eingestellt werden.
-
Um
beim Crash eine genau definierte adaptive Energieabsorption zu erreichen,
muss die Bremse 4 im Schlupfbetrieb arbeiten, d.h. die
Ankerscheibe 5 sollte nicht blockiert werden.
-
Indem
seitens der Bremse 4 gegenüber der Ankerscheibe zu jedem
Zeitpunkt ein exaktes Gegenmoment erzeugt wird, kann die Ankerscheibe 5 und
damit die axiale Bewegung des Mantelrohres 2 genau kontrolliert
werden. Auf diese Weise ist es möglich
einen adaptiven Crash zu erwirken, d.h. unter Berücksichtigung
von Fahrergewicht, Fahrergröße, angeschnallt
oder nicht, Aufprallgeschwindigkeit, Fahrzeugtyp, Elastizität des Hindernisses
usw. den gesamten beiderseitigen kinematischen Energieeintrag (Fahrer-
bzw. Vorderwagen-seitig) entlang des gesamten teleskopierbaren Bereiches
der Lenksäule (vom
Fahrzeug-Design vorgegeben, üblicherweise 100mm)
möglichst
weich (engl.: soft) abzubauen.
-
Auf
diese Weise ist es möglich – je nach Crash-Anforderungen – jeden
beliebigen Weg-Kraft-Verlauf
zu Realisieren, wodurch auch den unterschiedlichen Erfordernissen
verschiedener Länder
bzgl. des Dämpfungsverhalten
der kollabierenden Lenksäule
entsprochen werden kann.
-
Wird – wie in
der Beschreibung des Standes der Technik erwähnt – zur Verstellung der Lenksäule eine
elektromagnetische Kupplung in Kombination mit einer Verstellspindel
und einem Spindelmotor genutzt, so kann ferner auch eine solche
Kupplung zur Energieabsorption im Crash genutzt werden, sofern das
Gewinde einer solchen Verstellspindel nicht selbsthemmend ist.
-
- 1
- Gehäuse
- 2
- Mantelrohr
- 3
- Hülse (Lagergehäuse der
Bremse)
- 4
- Bremse
- 5
- Mitnehmer
(Ankerscheibe)
- 6
- Axialkugelkranz
(Kugellager)
- 7
- Lagerscheibe
- 8a
- Bewegungsaußengewinde
(nicht selbsthemmend)
- 8b
- Bewegungsinnengewinde
(nicht selbsthemmend)
- 9a
- Mitnehmer
bei Hysteresebremse
- 9b
- Mitnehmer
bei Wirbelstrombremse
- 10a
- Magnetkern
bei Hysteresebremse
- 10b
- Magnetkern
bei Wirbelstrombremse
- 11
- Luftspalt
- B ⇀1
- transversales
Wechselfeld bei Hysteresebremse
- B ⇀2
- transversal
homogenes Magnetfeld bei Magnet-Reibungsbremse und
-
- Wirbelstrombremse