DE2154058B2

DE2154058B2 - Energieabsorbierende Einrichtung an einer Sicherheitslenksäule

Info

Publication number: DE2154058B2
Application number: DE2154058A
Authority: DE
Inventors: Noboru Komatsu; Toshio Kurauchi
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 1970-10-31
Filing date: 1971-10-29
Publication date: 1978-06-15
Also published as: GB1327899A; DE2154058C3; US3744338A; DE2154058A1; JPS5118694B1

Description

Die Erfindung betrifft eine energieabsorbierende Einrichtung an einer Sicherheitslenksäule gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei einer solchen, durch die DE-OS 1913021 bekannten Einrichtung ist der Muffenkörper aus einem inkompressiblen elastisch verformbaren Kunststoffmaterial hergestellt; eine doppelkonische Verdickung am oberen Lenkradwellenteil dringt bei einem Aufprall des Fahrerkörpers auf das Lenkrad in die Axialbohrung des Muffenkörpers ein und verformt dabei vorübergehend einen Teilbereich des Muffenkörpers elastisch. Durch die doppelkonische Ausbildung der Verdickung, die nur wenig dicker ist als der Lenkradwellenteil, wird eine elastische axiale Rückstoß-Komponente ausgeschaltet. Durch die vorübergehende elastische Verformung jeweils nur eines Muffenkörper-Teilbereiches wird aber nur eine begrenzte Energieabsorption erreicht bzw. die Dimensionen der energieabsorbierenden Einrichtung überschreiten in Länge und Durchmesser die gegebenen Abmessungen der Lenksäule, wodurch eine relativ aufwendige Kon

struktion entsteht.

Durch das DE-GM 1983413 ist es bekannt, bei einer Stoßstangenanordnung an Kraftfahrzeugen als energieverzehrendes Material einen hart eingestellten Schaumstoff zu verwenden; indessen ist dort das Last-Niveau nicht konstant wie bei der Erfindung, weil der zusammengedrückte Schaumstoff dort nicht ausweichen kann und daher die Last zunehmend stark ansteigt, eine Erscheinung, die bei Stoßstangen nicht so sehr ins Gewicht fällt, aber bei Sicherheits-Lenksäulen unzulässig ist wegen der dort geforderten, gerade noch zulässigen, konstanten Last.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bekannte Einrichtung nach der o. a. DE-OS dahingehend zu verbessern, daß bei gleichem Absorptionshub eine größere Energiemenge bei einem vorgegebenen Energieabsorptionsniveau aufgenommen wird bei einer betriebssicheren und verhältnismäßig einfachen und wenig aufwendigen Konstruktion.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale im Kennzeichen des Anspruchs 1. Zwei Ausführungsformen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 und 3 angegeben.

Die Erfindung bringt den wesentlichen Fortschritt mit sich, daß durch die Verwendung eines steifen Schaumstoffs nicht nur bei dessen Komprimierung Energie aufgenommen wird, sondern auch bei dem Hindurciiquetschen des komprimierten Schaumstoffs durch den Ringspalt zwischen der Kolben-Mantel-Fläche und dem zylindrischen Gehäuse, wobei die gesamte mögliche Hubstrecke ausgenutzt werden kann, weil der Schaumstoff dabei auf die Rückseite der eindringenden Spitz-Fläche gelangt und somit den maximalen Kolbenhub nicht durch Versperren des KoI-benweges mit komprimiertem Materia! verkürzt.

Zwei Ausführungsformen der Erfindung sind neben Kennlinien unterschiedlicher Schaumstoffsorten in der Zeichnung dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 die Idealkurve der Abhängigkeit der Ver-Schiebung von der Belastung der energieabsorbierenden Materialien,

Fig. 2 und 3 Kurven der Last-Verschiebungsabhängigkeit für verschiedene Schaumstoffe,

Fig. 4 eine teilweise geschnittene Seitenansicht der erfindungsgemäßen Lenkvorrichtung in einer ersten und

Fig. 5 in einer dritten Ausführungsform.
Die Last-Weg-Charakteristik einer energieabsorbierenden Lenkvorrichtung soll für eine Verschiebung

so in Stoßrichtung derart sein, daß möglichst viel kinetische Energie des Fahrers von der Lenkvorrichtung innerhalb der begrenzten Verschiebungsstrecke absorbiert wird, damit der auf den Fahrer einwirkende Last-Stoß möglichst klein wird. Eine ideale Lenkvorrichtung müßte demnach eine solche Last-Weg-Charakteristik haben, daß während der Anfangsphase unmittelbar nach dem Einwirken des Stoßes bei einer verhältnismäßig kleinen Verschiebung die Belastung steil bis auf den maximalen zumutbaren Wert ansteigt.

Danach würde im Idealfall die Belastung nicht mehr zunehmen, sondern nur die Verschiebung würde noch zunehmen, so daß während dieser Zeitspanne ein großer Teil der kinetischen Energie absorbiert wird. Eine ideale Last-Weg-Kurve ist in Fig. 1 dargestellt, wobei die Verschiebung als Abszisse und die Belastung als Ordinate aufgetragen sind. Wie die Fig. 1 zeigt, steigt beim Einwirken einer Stoßbelastung die Last vom Punkt O steil an bis zum Punkt A während einer An-

fangsphase, in der es nur eine geringe Verschiebung gibt. Über einen vorgegebenen Wert F hinaus, der innerhalb des Bereichs liegt, in dem noch keine Verletzung des menschlichen Körpers erfoigt, nimmt die Last nicht mehr zu. Jenseits des Punktes A bis Punkt C nimmt nur noch die Verschiebung bis E zu, während die Last F praktisch auf gleicher Höhe bleibt. Die Last F, die durch den weiteren Verschiebungsbereich praktisch gleichbleibend verläuft, wird im folgenden als »Plateaulast« bezeichnet; die während der gleichbleibenden Belastung stattfindende Verschiebung heißt im folgenden »Plateauverschiebung«. Wenn der einwirkende Stoß am Punkt B aufhört, ist die Verschiebung OD; die während der Verschiebung OD absorbierte kinetische Energie entspricht der in OABD eingeschlossenen Fläche.

Wenn die Last-Weg-Charakteristik der in Fig. 1 entsprechend der gestrichelt gezeichneten Kurve OB verläuft, entspricht die während der Verschiebung OD absorbierte kinetische Energie der von OBD eingeschlossenen Fläche, die kleiner ist als die Fläche OABD im erstgenannten Fall. Daraus wird klar, daß die ideale Energieabsorptionscharakteristik den »Plateaulast«-Wert innerhalb eines möglichst kleinen Verschiebungsbereichs erreichen soll, wie im Falle von OAB in Fig. 1. Je größer die konstante zumutbare Plateaulast ist, desto besser sind die energieabsorbierenden Eigenschaften der Anordnung.

Es wurde gefunden, daß steife Schaumstoffe unter bestimmten Voraussetzungen die ideale Last-Weg-Charakteristik haben. Die erfindungsgemäße Anordnung sieht daher eine Lenkvorrichtung vor, die den auf einen Fahrer einwirkenden Stoß durch Verwendung eines steifen Schaumstoffkörpers als energieabsorbierendes Material herabsetzt, wobei aber dem Schaumstoff nach seiner Zerstörung eine Ausweichmöglichkeit gegeben sein muß. Gemäß der Erfindung ist der Schaumstoff beim Einwirken einer Stoßbelastung in Kompressionsrichtung, also beim Aufprall des Fahrers gegen das Lenkrad, zunächst elastisch, dann aber sogleich auch plastisch verformbar.

Die nachfolgende Tabelle enthält die Versuchsergebnisse mit verschiedenen Proben säulenförmiger plastischer Schaumstoffkörper. Jede Probe wurde komprimiert, bis die Kompressionsbelastung 500 kp in axialer Richtung erreichte. Die Kompression erfolgte unter einer Kompressionsgeschwindigkeit von 50 mm/min mit Hilfe einer Universalprüfmaschine vom Typ Instrom. Es hat sich jedoch gezeigt, daß bei einer Kompressionsgeschwindigkeit von 7 m/sec die Werte praktisch dieselben sind, daß also das Fließverhalten des Schaumstoffs nicht in den Lastwert eingeht. Die für die einzelnen Proben gewonnene Abhängigkeit der Verschiebung von der Kompressionsbelastung ist in den Kurven der Fig. 2 und 3 dargestellt, die den Proben 1 und 2 zugehören.

Tabelle

Proben- Material

Dichte Größe
(g/cm³) (mm)

1 steifer Polyurethanschaum

2 steifer Polyurethanschaum

0,11 40 0X50 0,15 40 0 X 50

Für die Probe Nr. 1 zeigt die Last-Weg-Kurve der Fig. 2, daß die Belastung steil und nahezu linear ansteigt, bis eine Verschiebung von etwa 3 mm erreicht ist. Danach wächst nur noch die Verschiebung, wobei die Plateaulast etwa 140 kp beträgt. Es ist ersichtlich, daß die Charakteristik der Probe Nr. 1 der idealen Charakteristik der Fig. 1 ähnlich ist; die Probe Nr. 1 ist also ein brauchbares energieabsorbierendes Material. Bei der Probe Nr. 2 (Fig. 3) ist die Plateaulast größer als bei Probe Nr. ]. Diese höhere Plateaulast ist eine Folge der größeren Dichte des Schaumstoffs.

ίο Man kann die Plateaulast durch Wahl der Dichte des Materials einstellen.

In der erfindungsgemäßen Einrichtung ist es erwünscht, daß die Plateaulast, d. i. die auf einen Fahrer einwirkende Belastung beim Aufprall gegen das Lenkrad während eines Zusammenstoßes, innerhalb des für den Fahrer unschädlichen Bereichs möglichst groß, aber noch zumutbar groß, ist. Da die Plateaulast hauptsächlich durch die Dichte des zur Energieabsorption dienenden Schaumstoffs bestimmt ist, liegt die Dichte des steifen Schaumstoffs, der in der erfindungsgemäßen Lenkvorrichtung zur Energieabsorption verwendet wird, zwischen 0,03 und 0,6 g/cm³. Wenn ein Material mit kleinerer Dichte verwendet wird, muß die Querschnittsfläche des starren Schaumstoffkörpers verhältnismäßig groß sein. Wenn ein Material mit einer größeren Dichte innerhalb des genannten Bereichs verwendet wird, erhält man eine energieabsorbierende Vorrichtung, die selbst bei schweren Unfällen wirksam ist, da zwar der beim Aufprall auf das Lenkrad auf den Fahrer wirkende Stoß verhältnismäßig groß, jedoch nicht groß genug ist, um den Fahrer zu verletzen, aber andererseits der Anteil an absorbierter kinetischer Energie ebenfalls groß ist, auf Grund der großen Plateaulast. Es ist notwendig, einen stoßabsorbierenden Körper zu verwenden, dessen Länge in Kompressionsrichtung verhältnismäßig groß ist, um eine genügende Verschiebung und somit auch eine ausreichende Energieabsorption zu erreichen.

In Fig. 4 ist ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Lenkeinrichtung dargestellt. Dieses Beispiel ist mit einem energieabsorbierenden Körper einer vorgegebenen Länge in Kompressionsrichtung versehen, die für eine maximale Verschiebung ausgewählt ist. Ein zylindrisches Gehäuse 53 ist konzentrisch an einer oberen Welle 51 der Lenkwelle befestigt. Ein dicker zylindrischer Körper 4 aus steifem Schaumstoff, dessen Außendurchmesser nahezu gleich dem Innendurchmesser des zylindrischen Gehäuses 53 ist, ist in dieses eingelegt und mit einer durchgehenden Mittenbohrung versehen, durch die sich der obere Lenkwellenteil 51 erstreckt. Auf der Außenfläche des unteren Lenkwellenteils 52 ist im Bereich seiner Kupplung mit dem oberen Lenkwellenteil 51 ein Kolben 54 angebracht. Dieser Kolben besteht aus einem zylindrischen Rumpf 541, der am unteren Lenkwellenteil 52 befestigt ist, und aus einer Pyramiden- oder konusförmigen Spitzfläche 542, die mit einer Fläche 82 den Schaumstoff körper 4 erfaßt; auf diese Weise wird der Schaumstoffkörper 4 durch die Spitzfläche in dem zylidnrischen Gehäuse 53 gehalten und gestützt. Der Durchmesser des äußeren Rindes der Spitzfläche 542 ist etwas kleiner als der Innendurchmesser des zylindrischen Gehäuses 53 und bildet mit diesem einen Ringspalt.

Da der Schaumstoffkörper 4 in der oben beschriebenen Weise festgehalten ist, wird, wenn der obere Lenkwellenteil 51 und der Schaumstoffkörper 4 durch

den Aufprall des Fahrers gegen das Lenkrad gegeneinander verschoben werden, die Fläche 82 des Kolbens 54 in das zylindrische Gehäuse 53 hineingedrückt und komprimiert den Schaumstoffkörper 4. Dabei wird der komprimierte und sodann in seinem Porengefüge zerstörte Schaumstoffteil von der Fläche 82 zum Umfang hin und sodann durch den Ringspalt hindurch gequetscht, so daß am Ende der axialen Verschiebung des oberen Lenkwellenteils 51 und des oberen Mantelrohres 61 die Spitze der Fläche 82 an der Endwand des zylindrischen Gehäuses 53 anstoßen kann. Auf diese Weise ist die Ausführungsform der Fig. 4 in der Lage, über den gesamten ungekürzten Hubweg ein Maximum an kinetischer Energie zu absorbieren, da der zerquetschte Schaumstoff hinter den Kolben ausweicht und den restlichen Hubweg nicht blockiert.

In Fig. 5 ist ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. An dem oberen Mantelrohr 61 der Lenksäule ist eine zylindrische Hülse 53 befestigt, die einen Boden 541 mit einem Loch in der Mitte hat, durch das sich der obere Lenkwellenteil 51 erstreckt. In der zylindrischen Hülse 53 ist ein zylinderförmiger steifer Schaumstoffkörper 4 fest aufgenommen, dessen Außendurchmesser nahezu gleich dem Innendurchmesser der zylindrischen Hülse ist und der mit einer durchgehenden Mittenbohrung versehen ist, durch die der obere Lenkwellenteil 51 ragt. Das untere Mantelrohr 62 hat einen Außendurchmesser, der kleiner ist als der Innendurchmesser der zylindrischen Hülse 53, und ist so bemessen, daß die Lenkwelle darin Platz findet. Am oberen Ende des unteren Mantelrohres 62 ist ein Kolben 55 befestigt, der der zylindrischen Hülse 53 zugekehrt ist. Der Kolben hat eine durchgehende axiale Bohrung und ist mit einer konischen Spitzfläche 551 an seinem der Hülse zugekehrten Ende versehen.

Das spitz zulaufende Ende der Pressungsfläche 551 befindet sich in Anlage an dem Schaumstoff körper 4. Wenn sich das Lenkrad beim Aufprall des Fahrers in axialer Richtung (^-Richtung) bewegt, werden das obere Mantelrohr 61 und der obere Lenkwellenteil 51 in axialer Richtung verschoben. Das obere Mantelrohr 61 nimmt die zylindrische Hülse 53 mit, so daG die Spitzfläche 551 des Kolbens 55, der fest mit derr unteren Mantelrohr 62 verbunden ist, in die zylindrische Hülse 53 vorgeschoben wird. Die komprimierter und zerstörten Gefügeteile des Schaumstoffkörpers A werden durch die Spitzfläche 551 in Richtung des Umfangs weg und durch den Ringspalt zwischen Kolben 55 und zylindrischer Hülse 53 hindurch ge quetscht, wenn sie mit der Spitzfläche in Kontak kommen. Der maximale Hub ist erreicht, wenn die Spitze der Spitzfläche auf den Boden 541 der zylindrischen Hülse auftrifft. Auch bei dieser Ausführungsform weicht also der zerquetschte Schaumstoff durcl den Ringspalt hindurch aus, ohne den restlichen Hubweg zu blockieren.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Energieabsorbierende Einrichtung an einer Sicherheitslenksäule zur Verbindung eines oberen, mit einem Lenkrad verbundenen Lenkungsteils mit einem unteren, an ein Lenkgetriebe angekoppelten Lenkungsteil, die beide drehfest aber gegeneinander axial längsverschieblich miteinander verbunden sind, wobei die Einrichtung an dem einen Lenkungsteil einen in einem zylindrischen Gehäuse untergebrachten Muffenkörper aus Kunststoff mit einer Axialbohrung und an dem unteren Lenkungsteil einen bauchigen konischen Kolben aufweist, der mit dem zylindrischen Gehäuse einen Ringspalt bildet und dessen Durchmesser größer ist als der der Muffen-Axialbohrung und der bei einer axialen Verschiebung der beiden Lenkungsteile gegeneinander in die Muffen-Axialbohrung unter Absorption der die Verschiebung verursachenden Stoßenergie eindringt, dadurch gekennzeichnet, daß der Muffenkörper (4) aus einem für Energieabsorptionszwecke an sich bekannten steifen Schaumstoff besteht und eine Dichte zwischen 0,03 und 0,60 g/cm³ aufweist, daß ferner der Kolben (54, 55) in seiner Axialbohrung auf einem Lenkwellenteil (51) geführt ist und dessen dem Muffenkörper (4) zugewandte konische Spitzfläche (82, 542, 551) mit ihrem verjüngten Teil an dem Muffenkörper (4) anliegt, und daß schließlich der Schaumstoff beim Durchgang durch den Ringspalt zerquetscht wird.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zylindrische Gehäuse (53) mit dem Muffenkörper (4) an dem oberen (51) und die Kolben-Spitzfläche (82) an dem unteren (52) Lenkwellen-Teil angeordnet sind (Fig. 4).

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zylindrische Gehäuse (53) an dem oberen (61) und die Kolben-Spitzfläche (551) an dem unteren (62) Mantelrohr angeordnet sind (Fig. 5).