DE1913021B2 - Sicherheitslenksäule für Kraftfahrzeuge - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Sicherheitslenksäule für Kraftfahrzeuge, bestehend aus einer zweiteiligen Lenkspindel, deren oberer Teil an seinem oberen Ende ein Lenkhandrad trägt und dessen unteres Ende drehfest und bei Überschreiten einer bestimmten Belastung teleskopartig verschiebbar mit dem unteren Teil verbunden ist, und einem ebenfalls aus zwei teleskopartig gegeneinander verschiebbaren Teilen bestehenden Mantelrohr, dessen oberer Teil verschiebbar an einem fahrzeugfesten Teil gehalten ist und dessen unterer, ein stoßaufnehmendes Element tragender Teil fahrzeugfest abgestützt ist.

Bei einer derartigen, aus der US-PS 27 79 208 bekannten Lenksäule sind zwischen den teleskopartigen Abschnitten des Mantelrohres elastische Organe angeordnet, um die Verschiebung des Lenkrades progressiv zu dämpfen und aufzuhalten. Es sind ferner Stoßdämpfer vorgesehen, um den Rückstoß durch die elastischen Elemente zu verzögern und auf einen Sicherheitswert zu begrenzen. Bei der bekannten Anordnung steigt zunächst die Kraft, mit der die Lenksäule sich gegen den Druck einer Feder zusammenschiebt, progressiv an, so daß der Fahrer nicht über die Gesamtlänge der teleskopischen Verkürzung der Lenksäule mit maximaler Wirksamkeit gebremst wird. Der Verlauf des Zusamrnenschiebens selbst ist daher nicht sehr wirksam. Die Tatsache, daß zwischen den beiden teleskopartigen Abschnitten der Lenksäule eine Feder vorhanden ist, macht die Verwendung von zusätzlichen Dämpfungseinrichtungen erforderlich, die, wenn sie den Rückprall durch die Feder bremsen und abfangen ihn nicht vollständig unterdrücken. Es ist daher eine zusätzliche ernsthafte Gefahr für den Fahrer vornan den, der riskiert, während eines verhältnismäßig schweren Unfalls durch das Lenkrad eingeklemmt zu werden und dann das Fahrzeug nicht mehr verlassen oder nur schwierig aus dem Fahrzeug geborgen werden kann Ferner ist die bekannte Vorrichtung außerordentlich ίο sperrig, weil Dämpfer erforderlich sind, deren Einbau an die Konstrukteure große Anforderungen stellt, insbesondere bei der Unterbringung der verschiedenen Steuerorgane, z. B. dem Schalthebel für das Getriebe am Lenkrad und der Meßeinrichtungen am Armaturenbrett.

Die Aufgabe, die der Erfindung zugrundeliegt, besteht darin, eine Sicherheitslenksäule so zu konstruieren, daß sie unter normalen Umständen eine völlig freie Drehung des Steuerrades und der Lenkradwelle, an der das Steuerrad sitzt, zuläßt und im Falle eines Aufpralls sicherstellt, daß die kinetische Energie aufgefangen wird. Die Absorption der Energie soll dabei annähernd gleichmäßig über den gesamten Verlauf der Strecke erfolgen, um die sich die Lenksäule zusammenschiebt. Es soll ferner kein Rückstoß auftreten, der sich als äußerst gefährlich für den Fahrer erwiesen hat.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei einer Sicherheitslenksäule der eingangs erwähnten Art das stoßaufnehmende Element als im Inneren des unteren Teils des Mantelrohres angeordnete, den unteren Abschnitt des oberen Teils der Lenkspindel mit Spiel umgebende Muffe aus verformbarem Material ausgebildet ist, und an dem oberen Teil der Lenkspindel eine geringfügig außerhalb des oberen Endes der Muffe liegende Verdickung vorgesehen ist, deren maximaler Durchmesser größer ist als der innere Durchmesser der Muffe.

Die Erfindung sieht ferner vor, daß die Muffe aus elastischem Material, insbesondere einem Elastomer, vorzugsweise aus Polyurethan besteht, und daß die Verdickung annähernd symmetrisch in bezug auf eine senkrecht zur Drehachse der Lenkspindel verlaufende Ebene ausgebildet ist. Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung besteht die Muffe aus einem fließfähigen Material, z. B. aus Blei.

Eine derartige Anordnung hat eine Reihe von Vorteilen. Zunächst hat die Lenksäule das gleiche Aussehen wie eine klassische Lenksäule ohne Dämpfungseinrichtung. Die Energie wird annähernd konstant absorbiert und es wird von Anfang an nahezu der maximale Wert erreicht, den ein Fahrer ohne Schaden ertragen kann. Dies ist im wesentlichen auf die konstruktive Ausgestaltung der Vorrichtung zurückzuführen, jedoch auch auf die Kombination der eigentlichen Dämpfungseinrichtung mit einer Verschiebbarkeit des Schutzrohres im Verhältnis zu dem festen Teil des Fahrzeuges unter Reibungsschluß. Die Vorrichtung gemäß vorliegender Erfindung ist ferner einfach aufgebaut und erlaubt eine Serienproduktion.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 schematisch in einer Seitenansicht die Gesamtanordnung einer Lenksäule mit Kardangelenk, in

einem Kraftfahrzeug,

F i g. 2 einen Längsschnitt der Lenksäule nach F i g. 1 in einem größeren Maßstab,

F i g. 3 eine Seitenansicht in der Ebene der Linie 3-3

der F i g. 2,

F i g. 4 einen Querschnitt der Lenksäule in der Ebene der Linie 4-4 der F i g. 3.

F i g. 5 einen Längsschnitt der Lenksäule wie in F i g. 2, jedoch nach dem Ansprechen,

F i g. 6 eine Seitenansicht der Lenksäule wie in F i g. 3, jedoch nach dem Ansprechen,

F i g. 7 eine perspektivische Darstellung eines Führungstückes zur Befestigung der Lenksäule am Fahrzeug, ,0

F i g. 8 eine Seitenansicht eines Details der Lenksäule in einem größeren Maßstab und

F i g. 9 eine graphische Darstellung mit dem Verlauf der entgegenwirkenden Kräfte entlang des Verschiebeweges der Lenksäule.

Für das Ausführungsbeispiel wurde eine Lenksäule mit Kardangelenk zugrunde gelegt, bei der der für die Verschiebung zur Verfügung stehende Weg begrenzt ist und die Verhältnisse deshalb besonders ungünstig sind.

Die Lenksäule enthält ein Mantelrohr 1, das an einem Tragelement 2 befestigt ist, das mit der Wandung Ädes Fahrzeuges über Führungsstücke 3 aus plastischem Material in Verbindung steht. Die Form der Führungsstücke 3 ist aus F i g. 7 ersichtlich. Sie sind an einem mit der Wandung des Fahrzeuges verbundenen Beschlag 4 befestigt. Die Führungsstücke 3 haben die Form einer Gabel, bei der die Innenflächen der beiden Schenkel wellenförmig entsprechend einem theoretisch sinusförmigen Profil 5 ausgebildet sind. Praktisch stellen die Bögen Kreisbögen dar. Die Oberfläche der beiden Wellenflächen sind mit Talg eingerieben.

Das Mantelrohr 1, das an der Wandung ßdes Fahrzeuges befestigt ist, enthält an seinem oberen Ende ein Abschlußstück 6, in dem sich das obere Lager der Lenkspindel entweder in Form eines Ritig- oder Wälzlagers 8 befindet. An seinem unteren Ende ist das Mantelrohr 1 an einem stützrohrartigen Teil 9 durch Nieten 10 befestigt, deren Abscherwiderstand gemäß der Reibungskraft der Führungsstücke 3 so bemessen ist, daß die Kraft der Lenkradwelle zu Beginn einer Bewegung etwa der größten Kraft entspricht, die, ohne Schaden an den Organen des Fahrzeugführers hervorzurufen, übertragbar ist.

Das Teil 9 liegt an seinem unteren Ende an einem feststehenden Halter 11 an und ist durch Ringe 12 und 13 aus Kunststoff mit schwachem Reibungskoeffizienten in bezug auf das Mantelrohr 1 zentriert. Die Lenkspindel 7 ist zweigeteilt und besteht aus einem oberen Teil 7 und einem rohrförmigen unteren Teil 19.

In dem Teil 9 befindet sich eine Muffe 14 mit einer axialen Aushöhlung 15, die sich kegelstumpfförmig von oben nach unten verjüngt und die am oberen Ende eine konische Abschrägung 16 aufweist. Am unteren Ende der Muffe 14 ist ein Ring 17 aus Metall oder Kunststoff mit schwachem Reibungskoeffizienten angeordnet, der eine Drehung der Muffe auf einem anschließenden Bund 18 mit geringem Kraftaufwand gewährleistet.

Der Bund 18 ist durch Schweißung und Hartlötung mit einem Rohr 19 fest verbunden, an dessen unterem Ende eine obere Gabel 20 eines Kardangelenkes 21 angeschweißt ist. Ein angetriebener Teil 22 des Kardangelenkes ist mit einem Rohr 23 verbunden, das zum Lenkgetriebe D führt. In dem Bund 18 ist eine prismatische öffnung 24 (F i g. 8), z. B. mit quadratischem Querschnitt, enthalten, in der das untere Ende 25 des oberen Lenkspindelteils 7 mit einer vorbestimmten Kraft eingesetzt ist.

Die vorbestimrnte Einspannkraft der Lenkspindel ist wichtig, weil dadurch ein unerwünschtes Einsinken der Lenkspindel und damit des Steuerrades während der normalen Benutzung der Lenkspindel verhindert wird. Diese Kraft muß einen ausreichenden Widerstand bieten, insbesondere beim Abstützen des Fahrzeugführers auf das Lenkrad 27 im Falle einer plötzlichen Bremsung oder eines unvermuteten Richtungswechsels des Fahrzeuges. Das untere Ende 25 der Lenkspindel kann in an sich bekannter Weise in Form von zwei Schenkeln 26 ausgebildet sein, die nach der Montage entsprechend der Darstellung in F i g. 8 umgebogen werden und die in unbeabsichtigtes Herausziehen der Lenkspindel durch den Fahrzeugführer verhindern.

Durch die Anordnung von Ring- oder Wälzlager 28 und 29 ist eine leichte Drehung der Gesamtanordnung innerhalb des Teiles 9 sichergestellt.

An der Lenkspindel 7 befindet sich direkt oberhalb der Muffe 14 eine doppelt konische Verdickung 30. Das Eintreiben der Verdickung in die Aushöhlung 15 der Muffe 14 ruft eine Gegenkraft hervor.

Im Ruhestand, d. h. bei normaler Funktion der Lenkspindel liegt die Verdickung 30 wenig oberhalb der Abschrägung 16 der Aushöhlung 15.

Die durch das Eintreiben der Verdickung 30 erzeugte Gegenkraft hängt von folgenden Faktoren ab:

a) von drei geometrischen Parametern, und zwar

1. dem Scheitelwinkel zwischen den Oberflächen am unteren Ende der Verdickung 30,

2. dem Scheitelwinkel der konischen Flächen der Verdickung 30 selbst und

3. dem Zusammendrücken infolge der Differenz zwischen dem größten Durchmesser der beiden Konusflächen der Verdickung 30 und dem Durchmesser der Aushöhlung 15;

b) von zwei mechanischen Parametern, und zwar

1. dem Zustand der beiden konischen Oberflächen der Verdickung 30,

2. dem Oberflächenzusiand der Aushöhlung !5;

c) einer Materialkonstanten, d. h. von dem Werkstoff, aus dem die Muffe 14 besteht.

Die Muffe 14 kann aus einem elastischen Material, z. b. einem Elastomer und insbesondere einem gießfähigen oder spritzfähigen Polyurethan bestehen, wie er in der französischen Patentanmeldung 1 43 652 der gleichen Anmelder beschrieben ist. Die Verdickung 30 ruft während des Durchganges durch die Muffe 14 eine quergerichtete, örtlich begrenzte Zusammenpressung der Wandung der Muffe hervor, bei der die axial verlaufende elastische Reaktionskraft Null oder aber vernachläßigbar klein ist, so daß nach einer Verschiebung der Verdickung im Sinne eines Eindringens in die Muffe 14 die Verdickung 30 und damit die Lenkspindel nicht in entgegengesetzter Richtung zurückgestoßen wird.

Die Muffe 14 kann aber auch aus einem verformbaren Material, wie beispielsweise Blei, bestehen, das durch plastische Deformation von der Unterseite der Verdickung 30 in Richtung auf die Oberseite während der Verschiebebewegung in der Muffe wandert.

Die Wirkungsweise der Lenksäule ist folgende:

Wenn durch äußere Einwirkungen der Fahrzeugführer auf das Lenkrad aufprallt, geschieht folgendes:

1. Das innere Ende 25 der Lenksphdel 7 gleitet in der Ausnehmung des im Raum feststehenden Bundes 18. Die festliegende Anordnung des Bundes 18 ist eine Folge der Gesamtkonzeption und vor allem des an einer bestimmten Stelle

Kardangelenkes 21. Durch die Verschiebung ergibt sich eine Verringerung des axialen Spiels, das zwischen dem Lenkrad 27 und dem am oberen Ende des Mantelrohres 1 befestigten Abschlußstück 6 vorhanden ist.

2. Sobald das Lenkrad 27 mit dem Abschlußstück 6 in Berührung kommt, wird ein wesentlicher Teil der Stoßkraft in das Mantelrohr 1 übertragen, von dem ein Teil auf die Führungsstücke 3 übergeht und ein Teil durch die Nieten 10 und das Teil 9 auf den Halter 11 übertragen wird, der ebenfalls einen Festpunkt bildet. Durch das Abscheren der Nieten 10 wird die Verbindung des Mantelrohres 1 mit dem Teil 9 unterbrochen, bevor die Verschiebung des Tragelementes 2 in den Führungsstücken 3 bcginnt. Bei dieser Verschiebung besteht nicht die Gefahr einer Verklemmung, weil die Ringe 12 und 13 eine Ausbiegung des Mantelrohres 1 verhindern.

3. Das Spiel zwischen der Verdickung 30 und der erweiterten Abschrägung 16 der Aushöhlung 15 in der Muffe 14 wird sehr schnell überwunden. Im Anschluß hieran drückt sich die Verdickung 30 in die Aushöhlung 15 und die StoÜenergie des Fahrzeugführers wird entweder durch radiale, elastisehe Deformation des Polyurethankörpers oder durch die Fließbewegung einer Bleifüllung, die ebenfalls die gewünschte Gegenkraft verursacht, absorbiert. Die Absorption kann entweder gleichbleibend sein oder nach einer veränderlichen Funktion erfolgen, was von dem Längsprofil der Aushöhlung 15 abhängt, die zylindrisch oder konisch sein kann, wobei aufeinanderfolgende Verringerungen und Vergrößerungen des Durchmessers vorhanden sein können. Der zuletzt genannte Fall ist im Hinblick auf eine Serienfabrikation besonders bedeutsam, da die Anfertigung der Muffe

14 in Form von aufeinandergestapelten Ringen erfolgen kann, von denen jeder Ring eine Bohrung gemäß einem pseudokonischen Profil zur Verwirklichung einer komplizierten Aushöhlung enthalten kann.

Nach Beendigung der Bewegung der Lenksäule ergibt sich die in den F i g. 5 und 6 dargestellte Stellung.

Die in F ig. 9 dargestellte Kurve /gibt den Verlauf der Bewegung in den einzelnen Abschnitten wieder. Die Werte der entgegenwirkenden Kräfte F sind als Funktion des Verschiebeweges £der Lenkspindel aufgetragen. Der Ausgangspunkt O ist der Beginn eines Stoßes. Die Ordinate Oa entspricht der Haltekraft des Steuerrades unter den Bedingungen der normalen Benutzung.

Die einzelnen Abschnitte der Kurve entsprechen:
Bogen a - b Verschiebung des Endes 25 der Lenkspindel in dem Bund 18,
Anstieg b- c Abscheren der Nieten 10,
Kurve d- e Überlagerung der abnehmenden Reibungskraft des Tragelementes 2 in den Führungsstücken 3 und der ansteigenden Kraft infolge des Eindringens der Verdickung 30 in die Aushöhlung

15 der Muffe 14,

Kurve e-f nahezu konstante Kraft während des Einsinkens der Verdickung 30 in die Aushöhlung 15 der Muffe 14,
Ende gder Kurve Beendigung der Bewegung.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Sicherheitslenksäule für Kraftfahrzeuge, bestehend aus einer zweiteiligen Lenkspindel, deren oberer Teil an seinem oberen Ende ein Lenkhandrad trägt und dessen unteres Ende drehfest und bei Oberschreiten einer bestimmten Belastung teleskopartig verschiebbar mit dem unteren Teil verbunden ist, und einem ebenfalls aus zwei teleskopartig gegeneinander verschiebbaren Teilen bestehenden Mantelrohr, dessen oberer Teil verschiebbar an einem fahrzeugfesten Teil gehalten ist und dessen unterer, ein stoßaufnehmendes Element tragender Teil fahrzeugfest abgestützt ist, dadurch gekennzeichnet, daß das stoßaufnehmende Element als im Inneren des unteren Teils (9) des Mantelrohres angeordnete, den unteren Abschnitt des oberen Teils (7) der Lenkspindel mit Spiel umgebende Muffe (14) aus verformbarem Material ausgebildet ist, und an dem oberen Teil (7) der Lenkspindel eine geringfügig außerhalb des oberen Endes der Muffe (14) liegende Verdickung (30) vorgesehen ist, deren maximaler Durchmesser größer ist als der innere Durchmesser der Muffe (14).

2. Sicherheitslenksäule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Muffe (14) aus elastischem Material, insbesondere einem Elastomer, vorzugsweise aus Polyurethan besteht, und daß die Verdikkung (30) annähernd symmetrisch in bezug auf eine senkrecht zur Drehachse der Lenkspindel verlaufende Ebene ausgebildet ist.

3. Sicherheitslenksäule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Muffe (14) aus einem fließfähigen Material, z. B. Blei, besteht.