DE2044874C3 - Sicherheitslenksäule - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Sicherheitslenksäule aus einer verkürzbaren Lenkwelle und zwei diese umschließenden teleskopartig ineinander verschiebbaren Mantelrohren, die gegenseitig über einen Verformungskörper und einen verformbaren Abschnitt in Berührung stehen.

Während bei solchen Sicherheitslenksäulen die Lenkwelle im wesentlichen axial widerstandfrei ist und lediglich der Drehmomentübertragung dieni, dienen die Mantelrohre der Sicherheit, inden sie bei zunehmenen Widerstand ineinandergeschoben werden und dabei die Stoßenergie umgewandelt wird. Versuche haben gezeigt, daß der durch die Lenksäule auf den Fahrer im Falle eines Zusammenstoßes ausgeübte Stoß nach etwa msek einen ersten Spitzenwert erreicht. Dieser Spitzenwert ist selbst bei den vorbeschriebenen, teleskopartig ineinander verschiebbaren Mantelrohren noch so **> erheblich, daß ernsthafte Verletzungen des Fahrers zu befürchten sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, zur Verringerung des auf den Fahrer ausgeübten Stoßes die Sicherheitslenksäule mit verringertem Widerstand zu stützen, bevor der Stoß den ersten, gefährlichen Spitzenwert erreicht, wobei danach der Hauptteil des Stoßes in geeigneter Weise gedämpft werden kann.

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Diese Aufgabe ist dadurch gelöst, daß der Verformungskörper und der verformbare Abschnitt durch eine bei einer vorbestimmten Stoßbelastung nachgebende Halteeinrichtung in einem gegenseitigen Axialabstand voneinander gehalten sind, für dessen Überwindung beim Nachgeben der Halteeinrichtung bis zur gegenseitigen Berührung des Verformungskörpers und des verformbaren Abschnitts eine Zeitspanne von etwa 14 msek notwendig ist Zwischen dem Einsatz der Halteeinrichtung und des Verformungskörpers wird somit ein verlorener Weg eingeschaltet. Es wird zunächst der Stoß auf die Lenksäule durch Verringerung des Axialwiderstands vermindert und anschließend der verbleibende Teil des Stoßes absorbiert Auf diese Weise wird durch Ausnutzung des Zeitfaktors der Spitzenwert der Stoßbelastung umgangen.

Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Eine Sicherheitslenksäule wird im folgenden an Hand schematischer Zeichnungen an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt

F^: g. 1 einen Längsschnitt einer Sicherheitslenksäule mit einem üblichen stoßabsorbierenden Aufbau,

F i g. 2 ein Diagramm von Kennwertkurven, die Änderungen einer Kraft des Stoßes auf den Fahrer und einer Kraft des von der in F i g. 1 dargestellten Sicherheitslenksäule absorbierten Stoßes über der nach Auslösung des mechanischen Stoßes verstrichenen Zeit in Mikrosekunden,

F i g. 3, 4 Längsschnitt durch vorzugsweise gewählte Ausführungsformen von Sicherheitslenksäulen nach der Erfindung,

F i g. 6 eine der F i g. 2 ähnliche Darstellung, jedoch sind die dargestellten Kurven durch die Ausführungsformen nach F i g. 3,4 und 5 erhalten, und

F i g. 7 Kennwertkurven, die die Änderungen angeben, über die Länge in Millimetern, über die das innere Mantelrohr inrerhalb des äußeren Mantelrohrs in den Ausführungsformen nach der Erfindung bewegt wird.

In F1 g. 1 ist ein Teil einer Lenksäule 10 dargestellt. Die Lenksäule 10 ist an einem Ende mit einem Lenkgetriebe und an dem anderen Ende mit einem Lenkrad verbunden (nicht dargestellt). Die Lenksäule ist mit einer bekannten stoßabsorbierenden Anordnung versehen, die im wesentlichen aus einem Mantelrohr 11, das einen begrenzten Teil der Lenksäule 10 einschließt, einem kegelstumpfförmigen Verformungskörper 12, der über einen davon ausgehenden Vorsprung 12a an dem Spitzenteil des Mantelrohres 11 befestigt ist und eine Axialbohrung 126 aufweist, um die Lenksäule 10 hindurchzulassen, und einem äußeren Mantelrohr 13 besteht, in das das innere Mantelrohr 11 axial verschiebbar eingesetzt ist. Das Mantelrohr 13 ist mit einem Abschnitt 13a versehen, der abgeschrägt ist, um in innere Arbeitsberührung mit dem kegelstumpfförmigen Verformungskörper 12 zu kommen, wenn das Mantelrohr 11 auf Grund eines darauf ausgeübten mechanischen Stoßes bewegt wird. Der abgeschrägte verformbare Abschnitt 13a des Mantelrohrs 13 geht in ein im Durchmesser verengtes Mantelrohr 136 über.

Das Mantelrohr 11 befindet sich bei seiner Anordnung im Normalzustand in Abstand von dem abgeschrägten Abschnitt 13a des Mantelrohres 13; wenn ein heftiger mechanischer Stoß auf die Mantelrohre Il bzw. 13 übertragen wird, wird das innere Mantelrohr 11 axial in eine Stellung bewegt, in der der mit dem Mantelrohr 11 fest verbundene kegelstumpfförmige Verformungskörper 12 in den abgeschrägten Abschnitt 13a in

Berührung eingreift Die Energie des Stoßes wird so durch die relativen Bewegungen der Mantelrohre 11 bzw. 13 absorbiert.

Bei einer Kombination der in F ι g. 1 dargestellten Anordnung mit einer Lenksäule ändert sich die Kraft F s des auf den Fahrer ausgeübten Stoßes und die Kraft P des absorbierten Stoßes mit der Zeit, die nach Beginn des Stoßes verstrichen ist, wie im Fell eine Kollision des Motorfahrzeuges durch die Kennwertkurven F bzw. P:n F i g. 2 dargestellt Aus der graphischen Darstellung nach F i g. 2 ist ersichtlich, daß die Stoßkraft F zweimal in dem Zeitraum nach der Kollision einen Spitzenwert wie mit fW und P_mix dargestellt, erreicht, wobei der erstere größer als der letztere ist.

Wenn es nun gewünscht ist, durch Verringerung des ,5 Gesamtdurchmessers des kegelstumpfförmigen Verformungskörpers 12 oder durch Vergrößerung des Gesamtdurchmessers des Mantelrohre 13 den ersten Spitzenwert F¹™, zu verringern, muß die Lenksäule

10 derart ausgestaltet sein, daß die sich über eine nicht proportional vergrößerte Strecke verschieben kann. Wenn demgegenüber der kegelstumpfförmige Verformungskörper 12 in einem derartigen Winkel abgeschrägt ist, daß die Verschiebungsstrecke der Lenksäule 10 verkürzt ist, dann wird der Spitzenwert Pm_n der schnitt 13a um eine gewählte Strecke / in Abstand bedet ist So weist die Anordnung nach F i g. 1 den Nachteil auf, daß sie unter Verlust entweder der Stoßabsorbierungskapazhät oder der Verschiebungsst.ecke der Lenksäule gestaltet sein muß, was beides miteinander nicht vereinbar ist

Mit der Erfindung wird die auf den Fahrer übertragene Stoßenergie ohne Vergrößerung der Verschiebungsstrecke der Lenksäule verringert

Eine nach dem vorhergehend beschriebenen Grundkonzept aufgebaute Ausführungsform der Erfindung ist in F i g. 3 veranschaulicht, bei der eine Verbesserung in die Anordnung nach F i g. 1 eingebaut wurde, wobei gleiche Bezugsziffern für entsprechende Teile verwendet werden.

Wie dargestellt, besitzt die Lenksäule 10 ein inneres Mantelrohr 11, das die Lenksäule 10 einschließt, einen kegelstumpfförmigen Verformungskcrper 12, der über den Vorsprung 12a an dem Spitzenteil des inneren Mantelrohrs 11 angeordnet ist, und ein Mantelrohr 13, in dem das Mantelrohr 11 axial verschiebbar eingesetzt ist. Der kegelstumpfförmige Verformungskörper 12 ist axial hohl, um eine Axialbohrung 126 zu bilden, durch die die Lenksäule 10 geführt ist; der Vorsprung 12a ist fest in den Spitzenteil des Mantelrohrs 11 eingesetzt und damit durch Punktschweißung bei 12c befestigt. Das Mantelrohr 13 besitzt einen verformbaren Abschnitt 13a, der in der gleichen Richtung und mit dem gleichen Winkel wie der kegelstumpfförmige Verformungskörper 12 abgeschrägt ist. Der Verformungskörper 12 und der Abschnitt 13a sind hier mit einem Winkel von etwa 7° abgeschrägt dargestellt. Der abgeschrägte Abschnitt 13a geht in ein im Durchmesser verringertes Mantelrohr 13i> über. In der in F i g. 3 dargestellten Ausführungsform ist eine Halteeinrichtung vor- t>o gesehen, die zum Zusammendrücken der Mantelrohre

11 und 13 mit einer gewählten Verbindungskraft dient. Eine derartige Halteeinrichtung ist hier durch zumindest einen Abscherungsstift gebildet, von denen zwei Stück 14 bzw. 14' dargestellt sind. Die Abschemngsstif- f>5 te 14 und 14' sind jeweils an den inneren und äußeren Mantelrohr 11 bzw. 13 befestigt, so daß die beiden Mantelrohre miteinander durch eine gewählte Kraft verbunden sind. Die Abscherungsstifte 14 und 14' sind so gewählt, daß sie eine mechanische Festigkeit besitzen, die einer Abscherbeanspruchung widerstehen kann, die kleiner als eine vorbestimmte obere Grenze ist Die Mantelrohre 11 bzw. 13 sind relativ zueinander derart angeordnet, daß sich der kegelstumpfförmige Verformungskörper 12 von dem abgeschrägten Abschnitt 13a um eine gewählte Strecke / in Abstand befindet die vorzugsweise in der im folgenden erläuterten Weise bestimmt werden kann.

Wenn nun ein mechanischer Stoß über die Lenksäule 10 auf die Mantelrohre U bzw. 13 übertragen wird, sind diese einer Kraft ausgesetzt, die die Mantelrohre relativ zueinander zusammendrückt Dies bewirkt das Abscheren der Abscherungsstifte 14 und 14', so daß ein Teil der Stoßenergie, die durch Abscheren der Stifte 14 und 14' konsumiert wird. Die Mantelrohre sind dann voneinander gelöst; das innere Mantelrohr 11 wird axial über die Länge / relafiv zu und innerhalb des äußeren Mantelrohrs bewegt und in einer Relativstellung zum Stillstand gebracht, in der der kegelstumpfförmige Verformungskörper 12 fest in den abgeschrägten Abschnitt 13a eingreift. Bei der Bewegung des Mantelrohrs 11 zu dieser Relativstellung erreicht die Stoßkraft den ersten Spitzenwert Pnu«, worauf der verbleibende Teil der Stoßenergie, der auf eine bestimmte Größe konsumiert wurde, weiterverbraucht, wenn der kegelstumpfförmige Verformungskörper gegen den abgeschrägten Abschnitt 13a stößt. Die Stoßenergie wird vollständig umgewandelt wenn der verengte Abschnitt 13a des äußeren Mantelrohrs 13 durch das Eindringen des kegelstumpfförmigen Verformungskörpers 12 gedehnt oder deformiert wird.

F i g. 4 veranschaulicht eine zweite vorzugsweise gewählte Ausführungsform der Erfindung, bei der die Halteeinrichtung zum Zusammenhalten der Mantelrohre 11 bzw. 13 durch eine Haltelasche 14a gebildet ist, bei der die äußeren Teile identisch den Teilen nach F i g. 3 sind und daher mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet sind. Die Halteeinrichtung ist hier einstückig mit dem Mantelrohr 11 und sitzt fest an dem Mantelrohr 13 über ein darin vorgesehenes Loch 15. Die Haltelasche 14a sitzt ausklinkbar an dem Mantelrohr 13 mit einer Kraft, die einer Beanspruchung widerstehen kann, die kleiner als ein vorbestimmter oberer Wert ist. Wenn sie einer Beanspruchung unterworfen wird, die größer als die erwähnte obere Grenze ist, künkt die Haltelasche 14a aus oder wird von dem Mantelrohr 13 durch das Loch 15 abgezogen, wodurch Energie ües auf die Mantelrohre 11 bzw. 13 übertragenen mechanischen Stoßes absorbiert wird, bevor das innere Mantelrohr 11 zusammen mit dem kegelstumpfförmigen Verformungskörper 12 gegenüber dem äußeren Mantelrohr 13 in Arbeitsberührung mit dem abgeschrägten Abschnitt 13a für die weitere Dämpfung der Stoßenergie bewegt wird. Die Haltelasche 14a kann mit dem Mantelrohr 13 einstückig und ausklinkbar an dem Mantelrohr 11 befestigt sein. Die Haltelasche 14a arbeitet im wesentlichen in der gleichen Weise wie der Abscherungsstift 14 und verliert ihre Wirkung, die Mantelrohre 11 und 13 zusammenzuhalten, wenn sie einer Beanspruchung ausgesetzt wird, die größer als die erwähnte obere Grenze ist. Die Haltelaschen 14a können in jeder gewünschten Anzahl vorgesehen sein, obwohl nur eine einzige Haltelasche hier dargestellt ist.

In Fig. 5 ist eine dritte Ausfülirungsform der Erfindung dargestellt, bei der die Lenksäule 10 in ein inneres Mantelrohr 1Γ eingeschlossen ist, daß mit einem Balg-

abschnitt 16 versehen ist, der von diesem ausgeht und flexibel ist, wenn er einer Druckkraft in axialer Richtung ausgesetzt ist. Das Mantelrohr 11' ist in ein äußeres Mantelrohr 13' eingesetzt, das an seinem Ende einen Flansch 17 besitzt, der dem Balgabschnitt 16 des inneren Mantelrohrs 11 gegenübersteht. Die Mantelrohre 11' bzw. 13' sind relativ zueinander derart angeordnet, daß der Balgabschnitt 16 an einer Stelle 16a endet, die sich von dem Flansch 17 des Mantelrohrs 13' um eine Strecke / in Abstand befindet. Die so relativ zueinander angeordneten Mantelrohre werden mittels eines Abscherungsstiftes 14 zusammengehalten, der in seiner Funktion dem Gegenstück nach F i g. 3 gleich ist. Der in der Anordnung nach F i g. 5 verwendete Abscherungsstift 14 kann im Bedarfsfall eine Halteeinrichtung ersetzen, die in der Anordnung nach F i g. 4 verwendet wurde. In der in F i g. 5 dargestellten Anordnung wird der auf die Lenksäule 10 übertragene mechanische Stoß an einer ersten Stelle gedämpft, indem ein Teil der Energie beim Abbrechen des Abscherungs-Stiftes 14 konsumiert wird, und an einer zweiten Stelle, wenn das Mantelrohr ti' relativ zum Mantelrohr 13' in eine Stellung bewegt wird, in der der Balgabschnitt 16 mit der Stelle 16a den Flansch 17 berührt, woraufhin der Balgabschnitt 16 zusammengedrückt wird, um die verbleibende Stoßenergie zu absorbieren. Der Flansch 17 dient in diesem Augenblick als Halteorgan, das die Verschiebung des Balgabschnittes 16 begrenzt.

F i g. 6 veranschaulicht Kennwertkurven der dem Fahrer mitgeteilten Stoßkraft Fund der durch Betrieb der Anordnung nach F i g. 3 gedämpften Stoßkraft P über die Zeit in Mikrosekunden nach Beginn des Stoßes, wie im Fall einer Kollision eines Motorfahrzeuges. Die Strecke / zwischen dem kegelstumpfförmigen Verformungskörper 12 und dem abgeschrägten Abschnitt 13a des äußeren Mantelrohrs 13 wird hier mit 20 mm angenommen, und der gesamte mechanische Widerstand der Abscherungsstifte 14 und 14' gegenüber einer Abscherspannung wird mit etwa 110 kg angenommen. Wie sich klar aus F i g. 6 ergibt, wird beim Brechen der Abscherungsstifte 14 und 14' die Stoßki ah in einer Größe absorbiert, die durch den ersten Spitzenpunkt Pi der Kurve P dargestellt ist. Die Kraft P bleibt Null, wenn das von dem äußeren Mantelrohr 13 bei gebrochenen Abscherungsstiften 14 und 14' gelöste innere Mantelrohr relativ zu und innerhalb des Mantelrohrs 13 bewegt wird, bis der an dem Führungsende des Mantelrohrs 11 befestigte kegelstumpfförmige Verformungskörper 12 in Beirührung mit dem abgeschrägten Abschnitt 13a des Mantelrohrs 13 gebracht wird. Während sich das innere Mantelrohr 11 gegenüber dem äußeren Mantelrohr 13 bewegt, erreicht die auf den Fahrer übertragene Stoßkraft F den ersten Spitzenwert F¹ max. So stößt das Mantelrohr 11 gegen den abgeschrägten Abschnitt 13a, während die Stoßkraft Feine fallende Tendenz besitzt, wodurch die verbleibende Stoßkraft Fdurch Eindrücken und Verformung des abgeschrägten Abschnitts 13a konsumiert wird. Im Vergleich zu der bekannten Anordnung nach F i g. 1 ist der Spitzenwert der auf den Fahrer wirkenden Stoßkraft F auf diese Weise bedeutend verringert, wie dies sich durch Betrachtung der Kurven nach F i g. 2 ergibt. Tatsächlich zeigt der Vergleich zwischen den Kurven F der F i g. 2 und 6, daß der maximale Stoß auf den Fahrer von dem Spitzenwert Pmn von etwa 1250 kg nach Fig.2 auf den Spitzenwert Pmax von 850kg nach 6 verringert werden kann.

Die Strecke, über die die Lenksäule 10 verschoben wird, nachdem der kegelstumpfförmige Verformungs körper 12 in Berührung mit dem abgeschrägten Abschnitt 13a des Mantelrohrs 13 gekommen ist, kann gegenüber den in F i g. 1 dargestellten üblichen Anordnungen um eine Länge verkürzt werden, die einer Menge an Stoßenergie entspricht, die beim Abbrechen der Abscherungsstifte 14 und 14' konsumiert wurde. Eine derart verkürzte Verschiebungsstrecke der Lenksäule 10 kann mehr oder weniger durch Anordnen der Länge / zwischen dem kegelstumpfförmigen Verformungskörper 12 und dem abgeschrägten Abschnitt 13a in der erfindungsgemäßen Anordnung versetzt werden.

Untersuchungen haben ergeben, daß die Verschiebungsstrecke der Lenksäule 10 nur um etwa 15 mm länger gemacht werden sollte, wenn die Länge / = 20 mm ist, und daß eine derartige Vergrößerung der Verschiebungsstrecke praktisch vernachlässigbar ist.

Die Länge / kann als eine Länge bestimmt werden, bei der der erste und zweite Spitzenwert P max bzw. Pmn gleich sind. Dazu kann es vorteilhaft sein, F i g. 7 zu verwenden, in der Kennwertkurven die Änderungen der Spitzenwert FW und Pmax mit der Länge / anzeigen. Die vorzugsweise gewählte Länge / ist die Länge, bei der die Kurven Pmax und Pma< sich schneiden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

1. Patentansprüche:

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   \_ Sicherheitslenksäule aus einer verkürzbaren Lenkwelle und zwei diese umschließenden, teleskopartig ineinander verschiebbaren Mantelrohren, die gegenseitig über einen Verfonnungskörper und einen verformbaren Abschnitt in Berührung stehen, dadurch gekennzeichnet, dau der Verformungskörper (12 und 17) und der verformbare Abschnitt (13a und 16a) durch eine bei einer vorbestimmten Stoßbelastung nachgebende Halteeinrichtung (14 und 14a) in einem gegenseitigen Axialabstand voneinander gehalten sind, für dessen Oberwindung bei nachgebender Halteeinrichtung bis zur gegenseitigen Berührung des Verformungskörpers (12 und 17) und des verformbaren Abschnitts (13a und 16a) eine Zeitspanne von etwa .14 msek notwendig ist.
2. 2. Sicherheitslenksäule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verformungskörper (12) und der verformbare Abschnitt (13a) gleichgerichtete konische, miteinander zusammenwirkende Berührungsflächen haben.
3. 3. Sicherheitslenksäule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das innere Mantelrohr (Hl') als verformbaren Abschnitt einen Balgabschni :t (16) aufweist.
4. 4. Sicherheitslenksäule nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Halteeinrichtung zumindest einen an den Mantelrohren (11 und 11') sowie (136 und 13') befestigten Abscherungsstift (14,14') aufweist.
5. 5. Sicherheitslenksäule nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Halteeinrichtung zumindest eine Haltelasche (14;)) aufweist, die mit einem der Mantelrohre (t3' oder 136) einstückig ist und in ein Loch (15) des anderen Mantelrohrs ausklinkbar eingreift.