DE19856940C1

DE19856940C1 - Lenkradskelett

Info

Publication number: DE19856940C1
Application number: DE19856940A
Authority: DE
Inventors: Franz Rueckert
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 1998-12-10
Filing date: 1998-12-10
Publication date: 2000-07-20
Anticipated expiration: 2018-12-11
Also published as: US6454883B1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein einteiliges Lenkradskelett, das durch Druckguß aus einer Aluminiumlegierung des Typs Al-Mg-Mn hergestellt ist. Solche Lenkradskelette zeichnen sich aus durch hohe Festigkeit, verbunden mit einer hohen Duktilität. Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Duktilität eines solchen Lenkradskeletts weiter zu erhöhen, so daß bei sehr hoher Krafteinwirkung eine starke Verformung des Lenkradskeletts auftritt, ohne daß die Lenkradspeichen dabei brechen. Um dies zu erreichen, wird das Lenkradskelett erfindungsgemäß einer Wärmebehandlung bei erhöhten Warmauslagerungstemperaturen unterzogen und anschließend in ruhender Luft abgekühlt. Ein so wärmebehandeltes Lenkradskelett kann gegenüber einem unbehandelten Werkstück mindestens um 30% höhere Verformungswege ertragen, ohne daß Speichenbruch auftritt.

Description

Die Erfindung geht aus von einem Lenkradskelett nach dem Ober begriff des Anspruchs 1, das einteilig aus einer Aluminiumle gierung des Typs Al-Mg-Mn durch Druckgießen hergestellt ist.

In der EP 412 605 ist ein Lenkradskelett beschrieben, bei dem Lenkradnabe, Lenkradspeichen sowie der Umguß der Lenkradspei chen am Lenkradkranz einteilig aus einer Aluminiumlegierung druckgegossen sind. Als Werkstoffe werden hier aushärtbare Alu miniumlegierungen des Typs AlSi7Mg, AlSi9Mg oder AlSi10Mg vor geschlagen, die durch Antimon oder Strontium veredelt sind. Um ihre Bruchdehnung zu erhöhen, werden die Lenkradskelette einer klassischen Aushärtebehandlung unterzogen, bestehend aus Wärme behandlung in Form einer Lösungsglühung, Abschreckung und an schließender Warmauslagerung.

Aus der gattungsbildenden EP 412 605 ist weiterhin bekannt, daß auf die oben beschriebene Wärmebehandlung verzichtet werden kann, wenn als Werkstoff zum Druckgießen des Lenkradskeletts statt der obengenannten Al-Si-Mg-Legierungen eine Aluminiumle gierung des Typs Al-Mg-Mn verwendet wird. Lenkradskelette aus Al-Mg-Mn-Legierungen sollen bereits im Gußzustand über die für die Betriebs- und Unfallsicherheit wichtigsten mechanischen Ei genschaften, insbesondere eine hohe Bruchdehnung bei entspre chendem Formänderungswiderstand unter Unfallbedingungen, verfü gen.

Ausgehend von diesen Gußwerkstoffen besteht jedoch weiterhin der Bedarf, die Duktilität der Lenkradskelette weiter zu erhö hen, um für Sicherheitslenkräder unter Unfallbedingungen noch größere Umformungen der Lenkradskelette ohne Brüche der Lenk radspeichen sicherstellen zu können. Dies betrifft insbesondere die Anwendung in Lenkradkonstruktionen, bei denen der Lenkrad kranz axial stark gegenüber der Lenkradnabe versetzt ist, bei denen die Lenkradspeichen also unter Unfallbedingungen einer starken Stauchung unterliegen können. Weiterhin betrifft dies insbesondere Lenkradskelette, bei denen zur Verminderung der Schwachpunkte innerhalb des Skeletts sowie aus fertigungstech nischen Gründen Nabe, Speichen und Lenkradkranz in einem Stück gegossen werden und daher aus dem selben Werkstoff bestehen, weswegen an diesen einen Werkstoff besonders hohe Ansprüche be züglich Festigkeit und Verformbarkeit gestellt werden.

Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, einteilige druckgegossene Lenkradskelette aus Aluminiumlegierungen des Typs Al-Mg-Mn durch Erhöhung der Duktilität noch weiter zu ver bessern, so daß die Lenkradskelette auch bei hoher Krafteinwir kung vorzugsweise nur Stauchungen, nicht aber Brüche erleiden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des An spruches 1 und die Merkmale des Verfahrensanspruches 3 gelöst.

Danach wird das aus einer Aluminiumlegierung der Al-Mg-Mn- Gruppe gegossene Lenkradskelett als Ganzes einer Wärmebehand lung unterzogen. Hierzu wird das Lenkradskelett vorzugsweise zunächst auf eine Temperatur zwischen 250°C und 400°C er wärmt. Diese Erwärmung entspricht einer Überalterungsbehandlung zur Einstellung des Gleichgewichts der aushärtefähigen Elemen te. Die Erwärmungszeit liegt zweckmäßigerweise zwischen 1 Stun de und 4 Stunden. Anschließend wird das Lenkradskelett in ru hender Luft abgekühlt.

Die auf diese Art und Weise wärmebehandelten Lenkradskelette zeigen einen erheblichen Zuwachs an Duktilität: Die Stauchlän ge, um die ein wärmebehandeltes Lenkradskelett bei statischer Druckeinwirkung verformt werden kann, ohne daß Speichenbruch eintritt, ist fast doppelt so hoch wie die Stauchlänge der un behandelten Lenkradskelette im Gußzustand. Somit kann auch an Lenkradkonstruktionen, bei denen der Lenkradkranz axial stark gegenüber der Lenkradnabe versetzt ist, eine sehr hohe Stau chung der Lenkradspeichen ohne Brüche erreicht werden.

Die Erwärmung des Lenkradskeletts als Ganzes sowie die Abküh lung in ruhender Luft gewährleisten, daß durch die Wärmebehand lung im Lenkradskelett nur vernachlässigbare thermische Verfor mungen gegenüber dem Gußzustand auftreten. Die wärmebehandelten Lenkradskelette können daher - trotz der hohen an sie gestell ten Genauigkeitsanforderungen - ohne nachträgliches Richten weiterbearbeitet werden.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung können den Unteran sprüchen entnommen werden; im übrigen ist die Erfindung anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels nachfolgend noch erläutert; dabei zeigen:

Fig. 1 eine Aufsicht eines Lenkrads,

Fig. 2 einen Schnitt II-II durch das Lenkrad der Fig. 1,

Fig. 3 eine Prinzipskizze eines Spannungs-Dehnungs-Diagramms eines Al-Mg-Mn-Werkstücks im Gußzustand bzw. nach Wärmebehandlung,

Fig. 4 eine Prinzipskizze eines Versuchsaufbaus für Druck versuche an Lenkradskeletten,

Fig. 5 ein Kraft-Weg-Diagram von Druckversuchen an Al-Mg-Mn- Lenkradskeletten im Gußzustand bzw. nach Wärmebe handlung.

Fig. 1 zeigt ein Lenkrad 1, in das ein Lenkradskelett 2 einge bettet ist. Das durch Druckguß einteilig hergestellte Lenkrad skelett 2 umfaßt einen Lenkradkranz 3, der durch vier Lenk radspeichen 5, 6 mit einer Lenkradnabe 4 verbunden ist. In die Lenkradnabe ist ein Stahlkern 7 eingegossen. Der Lenkradkranz 3 und die Lenkradnabe 4 erstrecken sich dabei in einer zur Dreh achse A des Lenkrads 1 senkrechten Normalebene und sind - wie aus Fig. 2 ersichtlich - axial gegeneinander versetzt, so daß das Lenkradskelett 1 eine schüsselartige Form besitzt.

Die Drehachse A des Lenkrads 1 verläuft gegenüber einer verti kalen Kraftwagenquerebene um einen Winkel von etwa 25 Grad ge neigt. Kommt es zu einem Frontalzusammenstoß des Kraftwagens mit einem Hindernis, so kann der Körper des Fahrers auf der ihm zugewandten Seite des Lenkrads 1 aufprallen. Um bei den dabei auftretenden Krafteinwirkungen eine gezielte Verformung des Lenkrads zu erleichtern, weisen die Speichen 5, 6 mehrere ver rundete Knicke 8-11 auf. Weiterhin muß zur Herstellung des Lenkradskeletts ein Werkstoff verwendet werden, der einerseits eine hohe Festigkeit besitzt, andererseits aber weich genug ist, damit sich das Lenkrad unter Krafteinwirkung verbiegt, oh ne zu brechen. Als besonders günstig hat es sich hierbei erwie sen, als Gußwerkstoff für die Lenkradskelette eine Al-Mg-Mn- Legierung zu wählen, die bereits im Gußzustand eine höhere Duk tilität aufweist als andere vergleichbare Leichtbauwerkstoffe.

Um die Duktilität des aus einer Al-Mg-Mn-Legierung hergestell ten Lenkradskeletts noch weiter zu erhöhen, wird das Gußteil erfindungsgemäß einer Wärmebehandlung unterzogen. Hierzu wird das Lenkradskelett als Ganzes in einem Ofen auf Temperaturen zwischen 280°C und 400°C erwärmt. Dies entspricht einer Warm auslagerung bei erhöhten Temperaturen, durch die eine Homogeni sierung der Legierung sowie eine Gleichgewichtseinstellung der aushärtefähigen Elemente erreicht wird. Hierzu sollte die Er wärmungszeit zwischen einer und vier Stunden betragen. Am gün stigsten erweist sich eine etwa zweistündige Wärmebehandlung bei 370°-390°C. Anschließend wird das Lenkradskelett in ru hender Luft abgekühlt. Dadurch wird erreicht, daß am Lenkrads kelett, das hohen geometrischen Genauigkeitsanforderungen un terliegt, nur sehr geringer Wärmeverzug auftritt, daß daher ei ne kostspielige Nachbearbeitung des Lenkradskeletts entfällt.

Zur Prüfung des Biege- bzw. Bruchverhaltens der Al-Mg-Mn- Legierung wurden Zugversuche an wärmebehandelten und unbehan delten Werkstoffproben durchgeführt. Fig. 3 zeigt eine schema tische Darstellung der dabei gemessenen Spannungs-Dehnungs- Diagramme. Die Kennlinie eines Al-Mg-Mn-Prüflings im Gußzu stand, d. h. ohne Wärmebehandlung, zeigt, daß das Werkstück un ter Krafteinwirkung zunächst elastisch gedehnt wird und bei er höhter Zugkraft nach einer geringen inelastischen Verformungs phase Risse bzw. Brüche aufweist. Der Bruchpunkt des unbehan delten Werkstoffs ist im Diagramm der Fig. 4 mit B_unbeh bezeich net, die maximale Dehnungslänge beträgt ε_unbeh. Die Kennlinie des wärmebehandelten Prüflings weist eine ähnliche elastische Dehn charakteristik auf; daran schließt sich jedoch - im Vergleich zum unbehandelten Gußzustand - ein wesentlich breiterer inela stischer Verformungsbereich an, der am Bruchpunkt B_therm endet. Beim wärmebehandelten Prüfling läßt sich dabei eine Dehnungs länge ε_therm, erreichen, die etwa dreimal so groß wie die maximale Dehnungslänge ε_unbeh im Gußzustand.

Weiterhin wurden statische Druckversuche an vollständigen Ske letten im Gußzustand und im wärmebehandelten Zustand durchge führt. In Fig. 4 ist der Versuchsaufbau schematisch darge stellt: Auf die Nabe 4 des Lenkradskeletts 1 wird parallel zur Drehachse A eine zentrale statische Druckkraft F ausgeübt, wo bei der Lenkradkranz 3 auf einer harten, glatten Oberfläche aufsitzt. Die Druckkraft F führt somit zu einer Stauchung ε der Speichen 5, 6. Fig. 5 zeigt eine Darstellung der in diesem Ver suchsaufbau gemessenen Kraft-Weg-Diagramme. Ein Lenkradskelett 1 im Gußzustand kann um eine Maximal Stauchung ε_unbeh von etwa 40 mm verformt werden, bevor in den Speichen 5, 6 Brüche und Risse auftreten. Durch die Wärmebehandlung wird die Verformbarkeit des Lenkradskeletts 1 erhöht, so daß das geglühte Lenkradske lett 1 um eine Maximalstauchung ε_therm von mehr als 70 mm ge staucht werden kann, ohne daß die Speichen 5, 6 Risse oder Brü che aufweisen.

Claims

1. Lenkradskelett, das einen Lenkradkranz, eine Lenkradnabe und Lenkradspeichen umfaßt und einteilig durch Druckgießen aus einer Aluminiumlegierung des Typs Al-Mg-Mn hergestellt ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Lenkradskelett wärmebehandelt ist.

2. Lenkradskelett nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Lenkradskelett (1) aus der Aluminiumlegierung AlMg2Mn mit der folgenden Zusammensetzung besteht:
1.8-2.3 Gew.-% Magnesium
0.6-0.8 Gew.-% Eisen
0.4-0.6 Gew.-% Mangan
0.2-0.4 Gew.-% Silizium
0.15-0.2 Gew.-% Zirkon
weitere Elemente mit jeweils < 0.05 Gew.-% Rest Aluminium.

3. Verfahren zur Herstellung eines Lenkradskeletts, das einen Lenkradkranz, eine Lenkradnabe und Lenkradspeichen umfaßt und einteilig durch Druckgießen aus einer Aluminiumlegierung des Typs Al-Mg-Mn hergestellt ist, dadurch gekennzeichnet,

- daß zunächst durch Druckguß ein Rohling des Lenkradske letts (1) hergestellt wird,
- der dann als Ganzes einer Wärmebehandlung unterzogen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Lenkradskelett (1) im Zuge der Wärmebehandlung zu nächst einer erhöhten Temperatur ausgesetzt und dann in ru hender Luft abgekühlt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, daß durch gekennzeichnet, daß die Wärmebehandlung des Lenkradskeletts (1) bei Tempera turen zwischen 250°C und 400°C, vorzugsweise zwischen 370° C und 390°C, erfolgt.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Lenkradskelett (1) während einem Zeitintervall von 1 bis 4 Stunden, vorzugsweise 2 Stunden, den erhöhten Tempera turen ausgesetzt wird.