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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Lenksäule für ein Kraftfahrzeug nach dem
Oberbegriff des Patentanspruches 1.
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Aus
der
DE 24 17 543 A1 ist
eine gattungsgemäße Lenksäule für ein Kraftfahrzeug
bekannt. Die Lenksäule
weist ein Lenkungsteil auf, das im Falle eines Aufpralls in eine
Energieaufnahmeeinrichtung einfahrbar ist. In der Energieaufnahmeeinrichtung
sind zwei fluidgefüllte,
strömungstechnisch
miteinander verbundene Kammern vorgesehen. Die beiden Kammern sind
axial stirnseitig einerseits durch einen Kolben des Lenkungsteils
sowie andererseits durch einen weiteren mittels einer Feder vorgespannten
Kolben begrenzt.
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Eine
weitere Lenksäule
wird in der
DE 43 43 068
A1 offenbart. Hier wird eine Lenksäule beschrieben, die mit einem
Sicherheitssystem ausgestattet ist, wobei das Sicherheitssystem
einen Schwellenwert aufweist, oberhalb dessen es den Säulenkörpern erlaubt
wird sich ineinander zu verschieben, um beispielsweise ein an dem
in die Fahrgastzelle reichenden Abschnitt eines der Säulenkörper angebrachtes
Lenkrad im Falle eines Aufpralls um einen genügenden Betrag vom Fahrer zu
entfernen. Hierzu wird unter anderem ein Sicherheitssystem vorgeschlagen,
welches aus einem Bock besteht, der unter der Einwirkung des Stoßes von
einer Normalstellung in eine zurückgezogene
Stellung übergeht,
wobei der Bock mit einer Feder versehen ist, die in einer Weise justiert
ist, daß sie
zwei Stellungen einnehmen kann, eine Normalstellung und eine zusammengezogene Stellung
unter der Einwirkung des Stoßes.
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Als
nachteilig in diesem Zusammenhang erweist sich jedoch die Verwendung
einer Feder als Kraftaufnahmeelement im Falle eines Zusammenstoßes. Das
hier beschriebene Sicherheitssystem weist nur zwei Stellungen, eine
Normalstellung und eine zusammengezogene Stellung auf, so daß davon ausgegangen
werden muß,
daß keine
Zwischenrastpositionen vorhanden sind. Dies hat zur Folge, daß im Falle
eines Aufpralls, der nicht ausreichend ist, um die Verrastposition
in der zusammengezogenen Stellung zu erreichen, die in der Feder
gespeicherte Energie entladen wird und sich das Lenkrad mit nicht unerheblicher
Geschwindigkeit in den Fahrgastraum zurück bewegt. Dies kann zu weiteren
Verletzungen des Fahrers führen.
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Darüber hinaus
ist eine Feder denkbar ungeeignet für den hier angestrebten Verwendungszweck, da
jede Feder bestrebt ist, die aufgenommene Energie sofort wieder
abzugeben.
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Weiterhin
nimmt die Kraft, welche letztendlich vom Körper des Fahrers aufgebracht
werden muß,
um die Feder derart zu stauchen bzw. das Lenkrad zu bewegen, mit
zunehmender Stauchung zu, so daß der
Kopf- bzw. Brustbereich des Fahrers ebenfalls unnötig belastet
wird.
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Ein
weiterer Nachteil ergibt sich aus der konstruktionsbedingten einmaligen
Wirkung einer Sicherheitsvorrichtung nach dem Stand der Technik. Bei
20% aller Unfälle
handelt es sich um Mehrfachkollisionen. Wenn die erste Kollision
erfolgt ist, verharrt die Feder der Sicherheitsvorrichtung nach
dem oben beschriebenen Stand der Technik in der zusammengezogenen
Stellung und kann somit für
eine weitere Kollision keine Energie mehr aufnehmen.
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Das
Problem der vorliegenden Erfindung liegt somit darin, eine Lenksäule der
vorgenannten Art zur Verfügung
zu stellen, wobei jedoch ein geeignetes Sicherheitselement verwendet
werden soll, welches die von einem Aufprall ausgehende Energie auch
mehrmals aufnehmen und in geeigneter Weise wieder abgeben kann,
so daß die
Gefährdung
für den Fahrer
auch bei einer Mehrfachkollision minimiert wird.
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Die
Lösung
der Probleme stellt eine Lenksäule
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 dar. Durch die Verwendung einer
Lenksäule,
bei der die Sicherheitsvorrichtung ein inkompressibles Medium und
ein kompressibles Medium umfaßt,
die miteinander kommunizieren können,
wird eine Sicherheitsvorrichtung zur Verfügung gestellt, die insbesondere
durch das Zusammenspiel dieser Medien und deren nahezu unveränderliche
Eigenschaften hinsichtlich Kompressibilität und Viskosität, Energie
mehrmals aufnehmen kann und darüber
hinaus mannigfaltige Einstellungsmöglichkeiten der Energieaufnahme
und Energieabgabe, beispielsweise durch Ausnutzung des Strömungsverhaltens
und der daraus resultierenden Strömungsgeschwindigkeit bietet.
Im Gegensatz zu Systemen, die ausschließlich Federn zur Energieaufnahme
verwenden,
können,
gerade durch die fluidischen Komponenten, Eigenschaften hinsichtlich
der Weg-Kraft Abhängigkeit
und der Geschwindigkeits-Kraft-Abhängigkeit eingestellt werden,
wodurch eine optimale Anpassung an das geforderte Verhalten bei
einem Auffahrunfall vorbestimmt werden kann.
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Als
besonders vorteilhafte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung
erweist sich die Verwendung einer Sicherheitsvorrichtung, die einen
mit dem kompressiblen Medium zumindest teilweise gefüllten Hubraum,
einen in diesem Hubraum bewegbaren Kolben, eine mit dem Kolben und
mindestens einem Lenksäulenkörper verbundene
Kolbenstange und einen in mindestens einer flüssigkeitsübertragenden Verbindung mit
dem Hubraum stehenden und zumindest teilweise mit einem kompressiblen
Medium gefüllten
Ausgleichsbehälter
umfaßt.
Mit dieser Vorrichtung können
die oben angesprochenen Parameter in gewünschter Weise, beispielsweise
durch den gewählten
Hubraum im Verhältnis
zum Hubweg, die Größe des Ausgleichsbehälters, die
Wahl des kompressiblen bzw. des inkompressiblen Mediums usw. eingestellt
werden.
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Vorteilhafterweise
kann diese Vorrichtung, zumindest der Hubraum einschließlich Kolben,
in den Lenksäulenkörpern integriert
werden, die vornehmlich eine zylindrische Gestalt aufweisen und
teleskopartig ineinander verschoben werden können.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung
sind Verbindungskanäle zwischen
dem Hubraum und dem Ausgleichsbehälter vorgesehen, die mantelseitig
des Hubraums entlang des Hubweges angeordnet sind. Durch die Abfolge
der Verbindungskanäle
entlang des Verfahrwegs kann eine weitere Komponente, welche die
Dynamik des Systems beeinflußt,
eingestellt werden. Durch eine geeignete Ausgestaltung des Kolbens bzw.
der Kolbenlänge
können
die Verbindungskanäle beim
Eintauchen des Kolben in den Hubraum nacheinander verschlossen werden.
Durch diese Maßnahme
wird der Strömungsquerschnitt
quasi proportional zum Verfahrweg kleiner, wohingegen die geschwindigkeitsabhängige Kraftkomponente
zunimmt. Gleichermaßen
wird ein Druck in dem Ausgleichsbehälter und damit eine wegabhängige Kraftkomponente
aufgebaut. Das dynamische Verhalten der Sicherheitsvorrichtung ergibt
sich vornehmlich aus der Überlagerung
dieser beiden Komponenten. Bei einer Hubbewegung des Kolbens verändern die
Kraftkomponenten entsprechend ihre Vorzeichen und der, durch den
Druck aufgebauten, Rückstellkraft
wirkt ein Dämpfungseffekt
durch die Strömungsquerschnitte
entgegen. Diese Komponente kann durch die Anordnung von Verbindungskanälen längs des Hubweges
so eingestellt werden, daß sich
beispielsweise insgesamt eine gleichbleibende Rückstellgeschwindigkeit ergibt.
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Darüber hinaus
können
die Verbindungskanäle
unterschiedliche Querschnitte aufweisen. Über eine Zunahme des Querschnitts
der in Hubrichtung angeordneten Verbindungskanäle kann beispielsweise der
großen
Rückstellkraft
durch die Kompression des kompressiblen Mediums ein anfänglich relativ geringer
Strömungsquerschnitt
entgegengesetzt werden, wodurch eine geringe Rückstellgeschwindigkeit eingestellt
werden kann. Durch Öffnung
weiterer, größerer Verbindungskanäle kann
diese Geschwindigkeit gesteigert werden. Darüber hinaus ist ebenfalls eine
Abnahme des Querschnitts der Verbindungskanäle in Hubrichtung mit dem damit
einhergehenden Verhalten des Kolbens bzw. der Lenksäule denkbar.
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Als
besonders vorteilhaftes Mittel zur variablen Veränderung des Querschnitts der
Verbindungskanäle
erweisen sich Membranen, die abhängig
von der Strömungsrichtung
des kompressiblen oder inkompressiblen Mediums den Strömungsquerschnitt verkleinern
können.
Durch diese Vorrichtung kann das dynamische Verhalten ebenfalls
nachhaltig beeinflußt
werden. Beispielsweise kann eine Hubbewegung des Kolbens nach dem
Eintauchen in den Hubraum vermieden werden, wenn sich die Membranen aufgrund
der Strömungsrichtung
der Hydraulikflüssigkeit
aus dem Ausgleichsbehälter
in den Hubraum schließen.
Die Lenksäule
kann durch diese Anordnung in einer zurückgezogenen Position gehalten werden.
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Durch
eine Durchgangsbohrung in den Membranen können zwei Querschnitte in Abhängigkeit
der Strömungsrichtung
eingestellt werden, wodurch sich weitere mannigfaltige Einstellungsmöglichkeiten
der Dynamik der Sicherheitsvorrichtung ergeben.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung liegen beispielsweise
in der Verwendung von Hydrauliköl
als inkompressibles Medium. Hydrauliköle weisen, neben einer sehr
hohen Temperaturfestigkeit, ausreichend Schmierstoffkomponenten
auf, welche eine einwandfreie Funktionalität der Sicherheitsvorrichtung
gewährleisten
können.
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Neben
Umgebungsluft als kompressibles Medium können auch Edelgase verwendet
werden, wobei Luft eine ausreichende Kompressibilität aufweist.
Vorteilhafterweise kann dieses kompressible Medium mit einem Anfangsdruck
beaufschlagt sein, der nicht dem Atmosphärendruck entspricht um einen
bestimmten Kraftzustand herzustellen.
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In
diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft ein Ventil am Ausgleichsbehälter anzubringen,
wobei es sich bei dem Ventil um ein normales Ablaßventil oder
um ein Überdruckventil
halten kann. Mit dem Ablaßventil
kann eine Druckdifferenz im Ausgleichsbehälter gegenüber dem Atmosphärendruck
ausgeglichen werden.
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Zur
Verbesserung der Stabilität
der gesamten Vorrichtung ist die Sicherheitsvorrichtung mit dem Chassis
verbunden um die auftretenden Kräfte
gegen das Chassis abstützen
zu können.
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Ebenfalls
vorteilhaft ist es, die Kolbenstange mit einer Feder auszustatten,
die zwischen der Aufhängung
der Kolbenstange an der Lenksäule
und der Sicherheitsvorrichtung angeordnet ist. Die Feder kann als
weiteres Energieaufnahme und -abgabeelement fungieren um beispielsweise
die Sicherheitsvorrichtung bzw. den Ausgleichsbehälter zu
entlasten.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand der folgenden Ausführungsbeispiele beschrieben.
Dabei zeigen:
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1 eine
erfindungsgemäße Lenksäule mit einer
Sicherheitsvorrichtung
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2a eine
Variante einer Sicherheitsvorrichtung einer erfindungsgemäßen Lenksäule mit Kolben
in Normalstellung;
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2b eine
Variante einer Sicherheitsvorrichtung einer erfindungsgemäßen Lenksäule mit Kolben
in einer unteren Position;
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3a eine
Variante einer Sicherheitsvorrichtung einer erfindungsgemäßen Lenksäule mit Kolben
in Normalstellung;
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3b eine
Variante einer Sicherheitsvorrichtung einer erfindungsgemäßen Lenksäule mit Kolben
in einer unteren Position;
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4a eine
Variante einer Sicherheitsvorrichtung einer erfindungsgemäßen Lenksäule mit Kolben
in Normalstellung;
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4b eine
Variante einer Sicherheitsvorrichtung einer erfindungsgemäßen Lenksäule mit Kolben
in einer unteren Position;
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5 eine
Membran einer erfindungsgemäßen Lenksäule.
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Eine
erfindungsgemäße Lenksäule umfaßt im wesentlichen
zwei teleskopartig ineinander verfahrbare, zylinderförmige Lenksäulenkörper 1 und 2, die
jedoch befähigt
sind Momente zu übertragen
um die Drehbewegungen eines Lenkrads 3 auf ein entsprechendes,
hier nicht dargestelltes Lenkgetriebe zu übertragen. Weiterhin ist eine
entsprechende Sicherheitsvorrichtung 11 zwischen dem ersten
Lenksäulenkörper 1 und
einem Chassis 10 vorgesehen, welche im Falle einer Kollision
Energie absorbieren kann. Dabei sollen im folgenden drei Ausführungsvarianten
einer Sicherheitsvorrichtung 11 näher beschrieben werden.
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In 2a,
b ist eine Sicherheitsvorrichtung 11 dargestellt, umfassend
einen Kolben 6, eine daran befestigte Kolbenstange 4,
einen zylinderförmigen Hubraum 14,
entlang des Hubweges des Kolbens 6 im Hubraum 14 angeordnete
Verbindungskanäle 13, die
eine fluidische Verbindung zu einem Ausgleichsbehälter 12 herstellen.
Der Hubraum 14 und auch teilweise der Ausgleichsbehälter 12 sind
mit einem inkompressiblen Medium, in diesem Falle mit einer Hydraulikflüssigkeit 8 gefüllt. Darüber hinaus
ist der Ausgleichsbehälter 12 teilweise
mit einem kompressiblen Medium, in diesem Ausführungsbeispiel mit Luft 7 gefüllt.
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In 2a ist
eine Sicherheitsvorrichtung 11 in einer Normalposition
dargestellt. Normalposition in diesem Zusammenhang, soll als unkritische
normale Fahrsituation verstanden werden. In diesem Zustand befindet
sich der Kolben 6 in einer Position am oberen Ende des
Hubweges. Im Falle einer Kollision wirkt durch den Aufprall des
Fahrers auf das Lenkrad 3 oder eines Airbags eine Kraft über das
Lenkrad 3 auf den ersten Lenksäulenkörper 1 ein, die auf
die Kolbenstange 4 übertragen
wird. Der Kolben 6 drückt die
Hydraulikflüssigkeit 8 über die
Verbindungskanäle 13 in
den Ausgleichsbehälter 12 und
die Luft 7 wird entsprechend verdichtet. Dabei verschließt der Kolben 6 auf
seinem Hubweg die entlang desselben vorgesehenen Verbindungskanäle 13,
so daß der
Strömungsquerschnitt
für die
Hydraulikflüssigkeit 8 mit dem
Hubweg kleiner wird und die geschwindigkeitsabhängige Komponente der Kraft
quasi parallel dazu größer wird.
Vorausgesetzt wird hier eine konstante Hubgeschwindigkeit. Parallel
dazu baut sich ein Druck im Ausgleichsbehälter 12 auf, der ebenfalls eine hubwegabhängige Kraft
erzeugt, die dem ersten Lenksäulenkörper 1 entgegenwirkt.
Der im Ausgleichsbehälter 12 aufgebaute
Druck wirkt als Rückstellkraft,
die den Kolben 6 nach einem ersten Eintauchen in seine
Normalposition zurück
drückt.
Dabei öffnet
der Kolben 6 entlang seines Verfahrwegs die Verbindungskanäle 13,
so daß dem
anfänglich
hohen Druck, der durch die komprimierte Luft 7 auf die
Hydraulikflüssigkeit 8 ausgeübt wird
ein relativ geringer Strömungsquerschnitt
in dem untersten Verbindungsquerschnitt gegenüber steht, wodurch die Rückströmung begrenzt
und die Rückstellgeschwindigkeit
des Kolbens 6 entsprechend eingestellt werden kann.
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Der
Querschnitt der Verbindungskanäle 13 ist
hier rein prinzipiell dargestellt und soll keine Rückschlüsse auf
tatsächliche
Querschnitte oder Kanalgeometrien zulassen. Auch kann der Querschnitt
der Verbindungskanäle 13 entlang
des Verfahrwegs aus der Normalstellung entsprechend abnehmen, so
daß sich
eine andere Kraft-Weg bzw. Kraft-Geschwindigkeitskennlinie
ergibt. Die Anzahl der Verbindungskanäle kann auch variiert werden.
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In
den 3a und b ist eine weitere Ausführungsform einer Sicherheitsvorrichtung 11 einer
erfindungsgemäßen Lenksäule dargestellt.
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Im
wesentlichen unterscheidet sich diese Ausführungsform durch Membranen 9,
die im Bereich der Verbindungskanäle 13 eingesetzt werden. Dabei
sind ebenfalls mehrere Ausführungsformen denkbar.
Generell dienen die Membranen 9 dazu, die Durchflußmenge hinsichtlich
der Flußrichtung
zu regulieren. Bei den hier dargestellten Membranen 9 handelt
es sich um elastische Membranen 9, die derart in oder oberhalb
eines Verbindungskanals 13 angeordnet sind, daß sie sich
bei einer Strömungsrichtung
vom Hubraum in den Ausgleichsbehälter 12 öffnen und
bei entgegengesetzter Strömungsrichtung, vom
Ausgleichsbehälter 12 in
den Hubraum schließen.
Dabei haben die Membranen 9 selbst eine Durchgangsbohrung 16,
deren Querschnitt kleiner als der Querschnitt des jeweiligen Verbindungskanals 13 ist.
Somit kann der gesamte Strömungsquerschnitt
der Verbindungskanäle 13 für das Eintauchen des
Kolbens genutzt werden, jedoch kann die Durchflußgeschwindigkeit beim Rückstellen
entsprechend den, durch die Durchgangsbohrungen 16 der
Membranen 9 vorgegebenen Querschnitten reduziert und damit
die Rückstellgeschwindigkeit
neben den bereits oben angedeuteten Maßnahmen vermindert werden.
Auch sind Membranen 9 ohne Öffnung denkbar, die den Rückflug der
Hydraulikflüssigkeit 8 vom
Ausgleichsbehälter 12 in
den Hubraum 14 unterbinden, so daß der Kolben 6 und
somit auch das Lenkrad 3 in einer unteren Position verharrt.
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Eine
Membran 9, wie sie in der Ausführungsform nach 3a und
b verwendet wird, ist in 4 dargestellt.
Auch hier sind unterschiedliche Ausführungsformen bezüglich einer
Durchgangsbohrung 16 und Material denkbar.
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In
den 4a und 4b ist
eine weitere Ausführungsform
einer Sicherheitsvorrichtung einer erfindungsgemäßen Lenksäule dargestellt.
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Im
wesentlichen unterscheidet sich diese Ausführungsform durch einen Überströmkanal 15 und
einen verkürzten
Kolben 6, der auf seinem Hubweg in eine untere Position
ab einem bestimmten Wegabschnitt, den Überströmkanal 15 freigibt,
so daß der
Kolben 6 hinterströmt
werden kann und ein Druckausgleich zwischen den so entstehenden
Hubraumabschnitten entsteht. Ab diesem Zeitpunkt liegt damit lediglich
eine geschwindigkeitsabhängige Kraftkomponente
vor, die des weiteren von der verwendeten Hydraulikflüssigkeit 8 und
den geometrischen Verhältnissen
abhängig
ist.
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Wahlweise
kann der Ausgleichsbehälter
in allen Ausführungsvarianten
mit einem Ventil 17 versehen sein, welches es ermöglichen
soll, den Druck auf Atmosphärenniveau
anzupassen oder den Ausgleichsbehälter mit einem anfänglichen Über- oder Unterdruck
zu beaufschlagen.
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Darüber hinaus
kann in allen Ausführungsformen
eine Feder 5 entlang der Kolbenstange 4 vorgesehen
sein, die bei Bewegung des Kolbens 6 entlang des Hubwegs
entsprechend gestaucht wird oder entlastend wirkt. Der funktionelle
Hauptaspekt der Feder 5 liegt jedoch auf der Rückstellung
bzw. Unterstützung
der Rückstellung
des Kolbens 6 in seine Normalposition.