DE2338026B2

DE2338026B2 - Aufprallschutzvorrichtung für den Fahrer eines Kraftfahrzeuges

Info

Publication number: DE2338026B2
Application number: DE2338026A
Authority: DE
Inventors: Gary La Vern Lansing Arntson; Lehman Jack Frankenmuth Connell
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 1972-07-28
Filing date: 1973-07-26
Publication date: 1981-01-29
Also published as: IT989921B; DE2338026A1; AU5769373A; US3907326A; FR2194593A1; FR2194593B1; DE2338026C3; JPS4992736A; CA999613A; AU468162B2; JPS5330219B2; GB1376580A

Description

Die Erfindung betrifft eine Aufprallschutzvorrichtung für den Fahrer eines Kraftfahrzeuges mit einer beim Aufprall des Oberkörpers des Fahrers auf das Lenkrad in definierter Weise zusammendrückbaren, durch plastische Verformung energieabsorbierenden Lenksäulenanordnung und einer unterhalb des Armaturenbrettes befestigten Knieabstützvorrichtung.

Solche Aufprallschutzeinrichtungen sollen den Fahrer eines Kraftfahrzeuges bei einem das Fahrzeug stark verzögernden Zusammenstoß vor allem in den Fällen schützen, in denen der Fahrer nicht durch einen Sicherheitsgurt in seiner normalen Sitzposition gehalten wird, weil entweder ein Sicherheitsgurt nicht vorhanden ist oder nicht angelegt wurde.

In diesen Fällen ist es im allgemeinen unvermeidlich, daß der Fahrer des Kraftfahrzeuges mit einer hohen Relativgeschwindigkeit bezüglich des Fahrzeugs nach vorne geworfen wird und auf irgendwelche Teile des Fahrgastinnenraums, insbesondere auf das Lenkrad, aufprallt Die in der Vorwärtsbewegung vor allem des Oberkörpers des Fahrers steckende kinetische Energie soll nun dadurch, daß die das Lenkrad tragende Lenksäulenanordnung nicht absolut starr sondern unter Absorption von Energie plastisch verformbar ist, nicht im Berührungsbereich zwischen dem Oberkörper des Fahrers und dem Lenkrad sondern im verformbaren Teil der Lenksäulenanordnung vernichtet und hierdurch

ίο eine Verletzung des Fahrers weitgehend ausgeschaltet werden.

Eine wesentliche Einschränkung der Wirksamkeit dieser Schutzvorrichtung ist dadurch gegeben, daß derartige Lenksäulenanordnungen nicht in beliebigen

'5 Richtungen zusammendrückbar sind, sondern eine winkelmäßig relativ eng begrenzte Vorzugsrichtung aufweisen, in der sie sich unter Absorption von Energie zusammenschieben lassen, wenn auf sie beim Aufprall in dieser Richtung eine Kraft ausgeübt wird, die einen bestimmten Mindestwert überschreitet Prallt nun der Oberkörper des Fahrers unter einem zu dieser Vorzugspchtung der Lenksäulenanordnung schrägen Winkel auf das Lenkrad auf, so erfolgt eine Zerlegung der Aufprallkraft in eine zur Zusammenschiebrichtung

-5 der Lenksäulenanordnung parallele und eine hierzu senkrechte Komponente. Ob es dann tatsächlich zu einem Zusammenschieben der Lenksäulenanordnung kommt, hängt ausschließlich von der Größe der zur Zusammenschiebrichtung parallelen Kraftkomponente und somit in entscheidendem Maße vom Aufprallwinkel des Oberkörpers des Fahrers auf das Lenkrad ab. In jedem Fall wird die der zur Zusammenschiebrichtung der Lenksäulenanordnung senkrecht stehenden Kraftkomponente zuzuordnende kinetische Energie nicht im verformbaren Teil der Lenksäulenanordnung sondern an der Berührungsstelle zwischen Oberkörper und Lenkrad vernichtet, wobei sich das Lenkrad in dieser Richtung als mehr oder weniger starrer Körper verhält, so daß es trotz der Zusammenschiebbarkeit der Lenksäulenanordnung zu erheblichen Verletzungen kommen kann.

Zur Vermeidung dieser Gefahr ist bei einer bekannten Aufprallschutzvorrichtung (DE-OS 21 37 833) zusätzlich zur energieabsorbierenden Zusammenschiebbarkeit der Lenksäulenanordnung im Nabenbereich des Lenkrades ein aufblasbarer »Luftsack« vorgesehen, der sich im Fall eines Zusammenpralls als eine Art Polsterung zwischen die harten Teile des Lenkrades und den Oberkörper des Fahrers schiebt und dadurch auch bei einem zur Zusammenschiebrichtung der Lenksäulenanordnung schräg verlaufenden Aufprall eine Verletzungsgefahr vermeiden soll. Zusätzlich ist bei dieser bekannten Aufprallschutzvorrichtung noch vorgesehen, daß ein weiterer aufblasbarer »Luftsack« neben dem Fahrersitz angeordnet und seitlich von den Knien des Fahrers expandierbar ist, um zu verhindern, daß der Fahrer beim Auftreten einer Kollision zur Seite geschleudert wird.

Die bekannte Aufprallschutzvorrichtung weist allerdings den Nachteil auf, daß derartige aufblasbare »Luftsäcke« nicht ohne weiteres nachträglich in bereits vorhandene Kraftfahrzeuge eingebaut werden können und daß darüber hinaus für viele Kraftfahrzeugbesitzer eine psychologische Hemmung gegen die Verwendung von »Luftsäcken« besteht, weil sie befürchten, daß die automatisch arbeitende Aufblasvorrichtung zur Unzeit, d. h. ohne daß das Fahrzeug in einen Zusammenstoß verwickelt ist, ausgelöst werden könnte, was dann zu

einem ansonsten nicht auftretenden Unfall führen würde.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Aufprallschutzvorrichtung der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, die unter Verwendung '■> einfacher, in jedem Kraftfahrzeug anwendbarer und keinerlei Gefahren einer Fehlauslösung beinhaltender Mittel geeignet ist, ein zu Verletzungen führendes Aufprallen des Oberkörpers des Kraftfahrzeuges auf das Lenkrad zu verhindern.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor, daß die Knieabstützvorrichtung zwei durch einen starren die Lenksäule zumindest teilweise umgebenden Mittelabschnitt verbundene, bei normaler Sitzposition des Fahrers mit geringem Abstand vor dessen Knien angeordnete und durch Tragvorrichtungen am Fahrzeug abgestützte Seitenabschnitte umfaßt, die bei einem Aufprall unter Absorption von Energie in einer etwa parallel zu den Oberschenkelknochen verlaufenden Hauptverformungsrichtung (H—k) plastisch verformbar sind.

Diese erfindungsgemäße Ausgestaltung einer Aufprallschutzvorrichtung beruht auf der Erkenntnis, daß es mit Hilfe der Knieabstützvorrichtung möglich ist, die Kinematik, d. h. den Bewegungsablauf des Fahrers bei 2^r> einem das Fahrzeug stark verzögernden Zusammenstoß so zu steuern, daß der Fahrer mit dem re! itiv stark belastbaren Oberkörper und nicht mit irgendeinem anderen Körperteil auf das Lenkrad aufprallt und daß dieser Aufprall unter einem optimalen Winkel, d. h. in einer im wesentlichen zur Zusammenschiebrichtung der Lenksäulenanordnung par; Helen Richtung erfolgt. Um dies zu erreichen, ist die Knieabstützvorrichtung so ausgebildet, daß sie bereits nach einer sehr kurzen Wegstrecke mit den sich nach vorne bewegenden Knien v> des Fahrers in Berührung kommt und somit sehr früh beginnt, die Aufprallbewegung zu beeinflussen und die kinetische Energie des Unterkörpers des Fahrers zu vernichten. Hierdurch wird erreicht, daß sich der Hüftpunkt des Fahrers in genau gesteuerter Weise parallel zur Sitzoberfläche nach vorne bewegt, während sich der Oberkörper um diesen Hüftpunkt dreht. Durch die relative Annäherung des Drehpunktes des Oberkörpers an die Lenksäulenanordnung wird verhindert, daß der Fahrer mit dem Gesicht oder mit der Halspartie auf das Lenkrad aufprallt. Gleichzeitig wird durch die parallel zu den sich immer steiler aufstellenden Oberschenkeln ausgeübte Reaktionskraft der Knieabstützvorrichtung ein Abheben des Gesäßes des Fahrers vom Sitz verhindert, so daß es auch nicht zu einem vi Anprall des Unterkörpers gegen das Lenkrad kommen kann. Prallt der Oberkörper schließlich auf das Lenkrad auf, so hat er sich aufgrund der zwisrhenzeitlich erfolgten Drehung um den sich nach vorne bewegenden Hüftpunkt so weit nach vorne geneigt, daß seine ^ Aufprallrichtung im allgemeinen nahezu parallel zu der Richtung verläuft, in der die Lenksäulenanordnung unter Ausübung einer schwerere Verletzungen ausschließenden Reaktionskraft zusammenschiebbar ist.

Dadurch, daß die Knieabstützvorrichtung bei einem «> Aufprall der Knie des Fahrers eine in etwa parallel zu den Oberschenkelknochen gerichtete Reaktionskraft ausübt, kann wegen der relativ hohen Belastbarkeit der Oberschenkelknochen in Längsrichtung das für die Knieabstützvorrichtung verwendete Material so ge- <>5 wählt werden, daß es durch sei'ie Verformung praktisch die gesamte kinetische Energie des Unterkörpers des Fahrers vernichtet, ohne da'] für den Fahrer eine Verletzungsgefahr gegeben wäre.

Zwar ist es aus dem Artikel »Entwicklungsstand des VW-Experimental-Sicherheitsautosrf, der in der Auto mobiliechnischen Zeitschrift 74 (1972), S. 124 ff. veröffentlicht wurde, bekannt, im unteren Teil des Armaturenbretts einen Kniegurt zu integrieren, der sich bei Crashbeginn automatisch über die Knie des Fahrers legt und somit den Unterkörper hält, wodurch ein Tauchen des Fahrers vermieden wird. Dieser Kniegurt wirkt jedoch völlig anders als die erfindungsgemäße Knieabstützvorrichtung, da er aufgrund seiner schnell einsetzenden Wirkung den Hüftpunkt des Fahrers im Fall eines Aufpralls praktisch in der normalen Sitzposition unverändert festhält Da sich der beim Aufprall nach vorn relativ zum Fahrzeug beschleunigte Oberkörper des Fahrers um diesen festgehaltenen Hüftpunkt dreht, würde dies ohne weitere Sicherheitsmaßnahmen zur Folge haben, daß der Fahrer nicht mit dem Oberkörper sondern mit dem Gesicht bzw. Hals auf das Lenkrad aufpraiit, was auch bei einer zusammenschiebbaren Lenksäulenanordnung eine erhebliche Verletzungsgefahr mit sich bringen würde. Daher ist in obigem Artikel auch die Verwendung entweder eines im Nabenbereich des Lenkrads angeordneten »Luftsacks« oder einer den Oberkörper des Fahrers in etwa in Sitzposition haltenden Gurtanordnung zusätzlich zum Kniegurt vorgesehen. Erfindungsgemäß soll nun aber gerade die Sicherheit in solchen Fahrzeugen erhöht werden, in denen solche zusätzlichen Maßnahmen entweder nicht ergriffen werden können oder, wie im Fall der Sicherheitsgurte, wegen Nichtbenutzung wirkungslos bleiben.

Aus der DE-PS 12 33 293 ist es schließlich bekannt, das Armaturenbrett eines Kraftfahrzeuges mit einer Polsterung zu versehen, die sich nach unten hin so weit in den Fußbereich des Kraftfahrzeuginnenraums erstreckt, daß sie einen Aufprallschutz auch für die Knie des Fahrers bildet, wobei davon ausgegangen wird, daß die Knie des Fahrers in etwa in einer zur Richtung der Oberschenkelknochen parallelen Richtung auf diese Abpolsterung aufprallen. Diese Knieabstützvorrichtung ist aber nicht in Verbindung mit einer unter Absorption von Energie zusammenschiebbaren Lenksäulenanordnung beschrieben, so daß dieser Druckschrift weder die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe noch das zur Lösung dieser Aufgabe herangezogene kinematische Prinzip entnehmbar ist.

Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Aufprallschutzvorrichtung sind in den Unteransprüchen niedergelegt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt

F i g. 1 eine teilweise weggebrochene Ansicht eines Teils des Armaturenbrettes eines Kraftfahrzeuges in Fahrtrichtung, die eine Lenksäulenanordnung, ein Instrumentenbrett und eine Knieabstützvorrichtung für den Fahrer des Kraftfahrzeuges wiedergibt,

F i g. 2 in vergrößertem Maßstab einen Teil der in F i g. 1 dargestellten Knieabstützvorrichtung,

F i g. 3 eine vergrößerte Schnittansicht der Knieabstützvorrichtung im allgemeinen längs der Linie 3-3 in F-.g. 1,

F i g. 4 eine vergrößerte Schnittansicht eines Teils des Armaturenbretts längs der Linie 4-4 in F i g. 1,

F i g. 5 eine vergrößerte Schnittansicht der in F i g. 1 gezeigten Lenksäulenanordnung,

Fig. 6 eine Ansicht ähnlich Fig. 4, in der das

Armaturenbrett im Schnitt, das Lenkrad in Seitenansicht und die Position des Fahrers zu der Knieabstützvorrichtung veranschaulicht sind,

F i g. 7 eine teilweise weggebrochene perspektivische Ansicht in auseinandergezogener Form eines in Fig. 1 dargestellten Konstruktionsteiles,

Fig. 8 eine Schnittansicht der Knieabstützvorrichtung längs der Linie 8-8 in F i g. 2.

Fig. 9 eine Ansicht, in der die Position der Knieabstützvorrichtung zum Armaturenbrett veranschaulicht ist, und

F i g. 10 ein kinematisches Diagramm.

Nach den F i g. 1 und 6 umfaßt ein Kraftfahrzeug 10 eine Bodenwanne 12, die einen schematisch dargestellten herkömmlichen Vordersitz 14 für den Fahrer 16 trägt. Das Fahrzeug umfaßt weiterhin eine Spritzwand 18 und eine Windschutzscheibe 20. Ein oberer Abschnitt 22 und ein rückwärliger Abschnitt 24 der Spritzwand 18 bilden das Instrumentenbrett 26 des Fahrzeugs. Das Instrumentenbrett ist in herkömmlicher Weise mit einem geeigneten energieabsorbierenden N4aterial und einer äußeren Dekorationsabdeckung bedeckt.

Das Fahrzeug 10 weist weiterhin eine energieabsorbierende Lenksäulenanordnung 28 auf, wie sie beispielsweise in der US-PS 37 02 081 beschrieben ist.

Die Lenksäulenanordnung umfaßt einen vorderen Teil 30 der Lenksäule, der an seinem unteren Ende mit einem Teil der Spritzwand 18 fest verbunden ist, und einen hinteren Teil 32 der Lenksäule, der dem vorderen Teil 30 in teleskopischer Weise zugeordnet ist und sich bei einem durch einen Aufprall des Fahrers 16 verursachten Zusammenschieben der Lenksäule axial zu dem vorderen Teil 30 und im Bezug auf die Fahrz.eugkarosserie nach vorne bewegen kann. Die Lenksäulenteile 30 und 32 sind durch eine geeignete Einrichtung miteinander verbunden, die normalerweise eine Relativbewegung verhindert und während einer solchen Bewegung Energie absorbiert. Ein herkömmliches Lenkrad 34 ist an dem oberen Ende der Lenksäule in bekannter Weise angebracht und durch eine Lenkspindel 36 mit einem herkömmlichen Lenkmechanismus verbunden. Wie in F i g. 5 dargestellt ist. umgibt ein Getriebe-Schaltrohr 38 die Lenkspindel 36 konzentrisch, um einen nicht dargestellten Schalthebel mit dem Getriebe des Fahrzeuges zu verbinden.

Eine Lenksäulen-Tragvorrichtung 40 ist an ihrem vorderen Ende an einem Teil 42 der Spritzwand 18 starr befestigt, der an den oberen Abschnitt 22 der Spritzwand 18 angrenzt. Der rückwärtige Endteil der Tragvorrichtung 40 ist abgewinkelt und so gestaltet, daß er einen abgeflachten, im allgemeinen U-förmigen Abschnitt 44 bildet (F i g. 4 und 5), der den hinteren Teil 32 der Lenksäule überspannt. Eine Lenksäulen-Führungshalterung 46 ist mit Schrauben 48 an der Tragvorrichtung 40 und durch eine Schelle 50 an dem vorderen Teil 30 der Lenksäule befestigt, um diesen Lenksäulenteil an der Spritzwand 18 abzustützen. Der rückwärtige gewinkelte Teil 52 der Führungshalterung 46 ist im allgemeinen in der gleichen Weise wie der U-förmige Abschnitt 44 der Tragvorrichtung 40 gestaltet und paßt mit diesem mit einem gegenseitigen Abstand bis auf die zugeordneten aneinanderfügenden Seitenflansche 54 und 56 auf jeder Seite des hinteren Teils 32 der Lenksäule zusammen. Die aneinanderliegenden Seitenflansche sind mit fluchtenden öffnungen versehen. Eine im wesentlichen U-förmige Halterung 58 (Fig.5) ist mit Bolzen 60 an dem hinteren Teil 32 der Lenksäule angeschraubt und umfaßt mit Schlitzen 64

versehene Seitenflansche 62, wobei die Schlitze 64 an ihren vorderen Enden geschlossen und an ihren hinteren Enden offen sind. Eine seitlich geschlitzte Halterungskapsel 66 ist in jedem der Schlitze 64 verschieblich aufgenommen und an einem zugeordneten Seitenflansch 62 durch eine Reihe von nicht gezeigten Kunslstoff-Scherbolzen lösbar befestigt, die in fluchtenden öffnungen in den Halterungskapseln und in den Seilenflanschen spritzgegossen sein können. Jede Halterungskapsel umfaßt einen geschlossenen Schlitz. Ein Bolzen 67 erstreckt sich durch fluchtende Öffnungen in den aneinanderliegenden Seitenflanschen 54 und 56 der Halterungsteile 44 und 52 und die geschlossenen Schlitze in jeder Halterungskapsel 66 und wird durch eine Mutter 69 festgehalten, um den hinteren Teil 32 der Lenksäule an der Spritzwand 18 der Karosserie zu halten.

Wenn das Lenkrad 34 durch den Oberkörper des Fahrers 16 mit einer vorbestimmten Aufprallkraft berührt wird, wird die resultierende Belastung von dem Lenkrad 34 durch die Nabe des Lenkrades auf den hinteren Teil 32 der Lenksäule übertragen. Erreicht die Komponente dieser Belastung, die axial zu der Säule gerichtet ist, eine vorbestimmte Größe, brechen die Kunststoff-Scherbolzen, die die Seitenflansche 32 und die Halterungskapseln 66 miteinander verbinden, und der hintere Teil 32 der Lenksäule wird dadurch für eine Bewegung axial zu dem vorderen Teil 30 der Lenksäule freigegeben, so daß die die Teile der Lenksäule verbindende energieabsorbierende Einrichtung die Energie der Axialbelastung absorbiert Während einer solchen Bewegung bewegt sich die Halterung 58 mit dem hinteren Teil 32 der Lenksäule und die Seitenflansche 62 gleiten entlang dem gewinkelten Teil 52 der Führungshalterung 46, durch den sie geführt werden, nachdem die Seitenflansche von den Schlitzen der Halterungskapseln freigegeben worden sind.

Nach F i g. 5 sind die Seitenflansche 62 mit seitlichen Verlängerungen versehen, die in im allgemeinen L-förmig ausgebildeten seitlichen Verlängerungen der Seitenflansche 56 aufgenommen sind, um jede Neigung des hinteren Teils 32 der Lenksäule zu unterbinden, sich bezüglich des vorderen Teils 30 in Querrichtung oder Abwärtsrichtung zu bewegen.

Aus der obigen Beschreibung geht hervor, daß das Verhalten der Lenksäulenanordnung 28 von der Axialkomponente der Aufprallbelastung abhängt, die durch den Fahrer an die Lenksäule angelegt wird. Es ist deshalb erwünscht, daß diese Belastung in Axialrichtung der Lenksäule oder mit einer möglichst kleinen Abweichung von dieser Axialrichtung wirkt. Um dieses zu erreichen, sollte die Aufprall-Kinematik des Fahrers 16 so gesteuert werden, daß der Oberkörper sich in Vorwärtsrichtung um den in Fig.6 angegebenen Hüftpunkt H dreht und daß der Unterkörper des Fahrers sich nur eine begrenzte Strecke, z. B. um 20 cm bis 25 cm in bezug auf den Vordersitz 14 nach vorne bewegt, so daß der Fahrer auf dem Sitz bleibt und eine maximale Drehung seines Oberkörpers um den //-Punkt auftritt.

Bekanntlich kann der Oberschenkel einer Person Druckbelastungen von bis zu 6230 N aushalten, wenn diese Belastung in Richtung des Schenkelknochens wirkt Aus F i g. 6 ist zu ersehen, daß das Anlegen einer solchen Druckbelastung axial zu den Oberschenkelknochen des Fahrers durch den Aufprall der Knie des Fahrers auf die Knieabstützvorrichtung dazu beiträgt eine optimale Vorwärtsbewegung des Oberkörpers des

Fahrers um den /V-Punkt zu erzeugen, und den Oberkörper so zu positionieren, daß er im wesentlichen in Axialrichtung auf die Lcnksäulenanordnung 28 aufprallt.

In Fig. 10 ist die Hüfiachse des Fahrers 16 durch den Buchslaben H, die Knieachsc durch den Buchstaben K und die l-'ußknöchelachse mit dem Buchstaben A bezeichnet. Es wird vorausgesetzt, daß die Beine des Fahrers in Querrichtung fluchten, so daß die H-, K- und /4-Punkte der beiden Beine des Fahrers jeweils parallel zueinander sind. Die voll durchgezogenen Linien, die die Punkte H. K und A in Fig. 10 miteinander verbinden, zeigen die normale Sitzstellung des Fahrers unter aufprallfreien Bedingungen. Die Füße des Fahrers sind normalerweise benachbart zum Fußteil der Spritzwand i» angeordnet, wie dies in Fig.b dargestellt ist. Obgleich die Füße sich unter Aufprallbedingungen leicht nach vorne bewegen, können die 4-Punkte während solcher Bedingungen als relativ stationär angesehen werden. Bei einem Aufprall schwingen die Unterschenkel des Fahrers um die 4-Punkte nach vorne und aufwärts, so daß sich die /(-Punkte von K nach K' bewegen. Die Oberschenkel des Fahrers bewegen sich gleichzeitig nach vorne und oben, so daß sich die /V-Punkte nach H' bewegen und der Winkel zwischen den Achsen K-H der Oberschenkel und den Achsen K-A der Unterschenkel abnimmt. Die Strecke zwischen Wund H'liegt normalerweise in dem Bereich von 20 cm bis 25 cm, wie dies oben beschrieben wurde. Das Berühren der vorderen Oberfläche der Knie des Fahrers mit der Knieabstützvorrichtung erfolgt in der Weise, daß die resultierende ürucklast axial zu den Oberschenkelknochen des Fahrers parallel zu der die Punkte K' und //'verbindenden gestrichelten Linie angelegt wird. Eine solche resultierende Drucklast unterstützt die Erzeugung einer optimalen Vorwärtsdrehung des Oberkörpers des Fahrers um den W-Punkt, wenn er sich von H nach Wbewegt.

Beim Aufprall der Knie des Fahrers auf die Knieabstützvorrichtung wird möglichst viel von der kinetischen Energie des Fahrers durch Aufprall-Deformation absorbiert und eine eine Obergrenze nicht übersteigende resultierende Drucklast in Längsrichtung der Oberschenkelknochen des Fahrers geliefert, um dadurch die Haltung des Fahrers in bezug auf die Lenksäule zu steuern und ein optimales energieabsorbierendes Verhalten der Lenksäule sicherzustellen. Die Knieabstützvorrichtung ist so angeordnet, daß sie von den Knien des Fahrers bei einem Aufprall sehr früh berührt wird, um eine konstante Oberschenkelknochen-Belastung von maximal 635 kg für die Dauer des Aufpralls wirken zu lassen und dadurch eine optimale Abbremsung des Unterkörpers zu erzielen. Dadurch wird sowohl die Bewegung des Unterkörpers des Fahrers relativ zum Sitz als auch die gewünschte Drehung des Oberkörpers des Fahrers sobald wie möglich und in der richtigen Richtung erzeugt. So wird durch das energieabsorbierende Zusammenschieben der Lenksäule der überwiegende Teil der Aufprailbelastung durch den Oberkörper des Fahrers absorbiert, da die Belastung im wesentlichen koaxial zur Lenksäule erfolgt

Untersuchungen haben gezeigt daß der Abstand zwischen den vorderen Oberflächen der Knie eines Fahrers und der Knieabstützvorrichtung unabhängig von der Größe, dem Gewicht oder den Proportionen des Fahrers ziemlich konstant bleibt da die Länge des Unterkörpers die Position des Sitzes bestimmt und die

Füße des Fahrers in ihrer Stellung durch die Betätigungseinrichtungen des Fahrzeuges begrenzt sind. Der Abstand zwischen jedem Knie und der Mittellinie der Lenksäule nimmt zu, wenn entweder die Größe oder das Gewicht des Fahrers zunimmt.

Die erfindungsgemäße Knieabstützvorrichtung 68 umfaßt zwei durch die Knie des Fahrers verformbare Seitenabschnitte 70, die durch einen Mittelabschnitt 72 miteinander verbunden sind. Die Knieabstützvorrichtung ist symmetrisch um die Achse des Mittelabschnittes angeordnet, die koplanar zur Achse der Lenksäulenanordnung 28 liegt; im folgenden wird daher nur der linke Abschnitt im einzelnen beschrieben, da der rechte Abschnitt den gleichen Aufbau besitzt, soweit nicht etwas anderes ausdrücklich angegeben ist.

Der Mittelabschnitt 72 wird von den Halterungen 40 und 46 starr getragen, um sicherzustellen, daß er bei einer zufälligen Verformung durch die Knie des Fahrers nicht in den unteren Teil 32 der Lenksäule hineingedrückt werden kann und dadurch eine Bewegung dieses Teils relativ zum vorderen Teil 30 der Lenksäule behindert d. h. die Energieabsorptionsfähigkeit der Lenksäule vermindert.

Nach den F i g. 4 und 8 weist die Knieabstützvorrichtung 68 eine geformte Metallbasis 74 auf, die bevorzugt aus einem 0,89 mm dicken Stahl besteht, der Energie mit einem zeillich konstanten Wert für die Dauer des Aufpralls der Knie des Fahrers auf die Seitenabschnitte 70 der Abstützvorrichtung absorbieren kann. Zwar können auch andere Materialien benutzt werden, doch sollten solche Materialien ebenfalls in der Lage sein, eine konstante Reaktionskraft von 6230 N pro Oberschenkelknochen während der Dauer des Aufpralls gegen die Seitenabschnitte 70 der Knieabstützvorrichtung aufrechtzuerhalten. Jeder Seitenabschnitt 70 umfaßt nach den Fig. 3 und 6 eine durch ein Knie berührbare erste Vorderwand 76, die unter einem Winkel zur Vertikalen angeordnet ist und einen abgewinkelten Befestigungsflansch 78 an ihrem unteren Kantenabschnitt aufweist. Eine zweite Vorderwand 80 erstreckt sich unter einem Winkel zur ersten Vorderwand 76 und zur Vertikalen und geht in eine obere Wand 82 über, die in einem abgewinkelten Befestigungsflansch 84 endet Normalerweise wird nur die erste Vorderwand 76der Knieabstützvorrichtung durch das Knie des Fahrers zwischen ihrer oberen und unteren Verbindungsstelle mit der zweiten Vorderwand 80 bzw. dem Befestigungsflansch 78 berührt Die Metallbasis 74 ist mit einem näherungsweise 13 mm starken Weichschaummaterial 86, beispielsweise mit Schaum-Polyurethan- oder Schaum-Vinyl-Kunststoffmaterial bedeckt. Dieses Schaummaterial absorbiert bei einem Aufprall, der stärker als normal ist, sehr wenig Energie. Sein Hauptzweck besteht darin, die Verteilung der Belastung über die erste Vorderwand 76 und eine Taschenbildung um die Knie des Fahrers herum zu unterstützen. Das Schaummaterial endet kurz vor dem Ende der oberen Wand 82 und weist eine reduzierte Dicke über dem abgewinkelten Befestigungsflansch 78 auf. Das Schaummaterial ist mit einer äußeren Dekorationsabdeckung 88, bevorzugt aus einer aufliegenden Vinylfolie, bedeckt. Die obere Kante der Abdeckung ist an die obere Wand 82 (Fig.6) geklebt und die untere Kante ist an den Schaum gegenüber dem Befestigungsflansch 78 geklebt Andere Folien als solche aus Vinyl können benutzt werden, vorausgesetzt sie weisen die Zugfestigkeit von Vinylfolien auf, da diese den sogenannten »Hängematten«-Effekt erzeugt. Das Weichschaummaterial 86 und

die Dekorationsabdeckung 88 unterstützen somit einander bei der Verteilung der Belastung über die erste Vorderwand 76 und bei einer Taschenbildung um die Knie des Fahrers herum, die dazu dient, eine seitliche Gleitbewegung der Knie relativ zur Knieabstützvorrichtung zu verhindern, wodurch sichergestellt wird, daß die Belastungsvektoren axial zu den Oberschenkelknochen des Fahrers gerichtet sind. Das Schaummaterial und die Abdeckung absorbieren die Energie von normalen Stoßen oder Berührungen der Knie des Fahrers mit der Knieabstützvorrichtung 68 unter Belastungen, die geringer sind als die, die zur Verformung der ersten Vorderwand 76 zur Absorbierung der kinetischen Energie des Fahrers erforderlich sind.

Die Seitenabschnitte der Knieabstützvorrichtung 68 sind mit ihren Kanten an der unteren Kante des Instrumentenbrettes 26 befestigt, wobei diese Befestigung durch Verbindungsstangen verstärkt ist, die sich quer zur Fahrzeugkarosserie von den Halterungen 40 und 46 aus erstrecken. Bei einem Fahrzeug mit Linkssteuerung ist die Verbindungsstange für den Seitenabschnitt auf der linken Seite der Säule mit dem Scharnierpfosten verbunden, während die Verbindungsstange für die obere Kante des rechten Seitenabschnittes sich durch eine zusätzliche Knieplatte für den auf den Beifahrersitz sitzenden Fahrzeuginsassen zu dem rechten Scharnierpfosten erstrecken oder mit der Spritzwand 18 durch eine geeignete Halterung verbunden sein kann. Eine Verbindungsstange kann auch für die untere Kante der Knieabstützvorrichtung und deren zentralen Teil vorgesehen sein. Durch Verankern der oberen und unteren Kanten der Seitenabschnitte 70 der Knieabslützvorrichtung wird eine Deformation der Abstützvorrichtung sichergestellt.

Nach Fig. 7 weist eine obere Armaturenbrett-Verbindungsstange 90 einen U-förmigen Querschnitt auf und umfaßt einen innen liegenden Schenkel 92, der den Seitenflansch 54 des Abschnittes 44 der Tragvorrichtung 40 berührt. Nach Fig. 5 ist die innere Wand des Schenkels 92 weggeschnitten, so daß dieser Schenkel der Verbindungsstange 90 unter dem Seitenflansch 54 angeordnet werden kann. Nach den Fig.4 und 7 liegt ein Flansch einer gewinkelten oberen Verbindungsstange 94 an dem Befestigungsflansch 84 der oberen Wand 82 an und ist an diesem durch eine Vielzahl von Blechschrauben 96 befestigt, die sich durch den Flansch der oberen Verbindungsstange 94 und den Befestigungsflansch 84 hindurch erstrecken. Ein weiterer abgewinkelter Flansch 98 der oberen Verbindungsstange 94 liegt an einer unteren Kante 100 des Instrumentenbrettes an (F i g. 3), und eine Vielzahl von Blechschrauben ΐΟ2 erstreckt sich durch fluchtende öffnungen in der Verbindungsstange 90 und in der oberen Verbindungsstange 94, um die obere Kante des Seitenabschnittes 70 und die untere Kante des Instrumentenbrettes an den Verbindungsstangen 90 und 94 zu befestigen und diese wiederum an der Tragvorrichtung 40 starr zu verankern.

Der außenliegende Schenkel der Verbindungsstange 90 weist eine nach oben versetzte geschlitzte öse 104 auf, die an eine geeignete, an dem Α-Pfosten der Karosserie angebrachte Halterungsstruktur angeschraubt ist Eine mit einer Öffnung versehene öse 106 der oberen Verbindungsstange 94 liegt unter dem äußeren Schenkel der Verbindungsstange 90 und ist an diesen angeschraubt Eine untere Verbindungsstange 108 mit U-förmigem Querschnitt erstreckt sich entlang der unteren Kante der Knieabstützvorrichtung 68, wie dies in den Fig. 1,4 und 7 dargestellt ist. Die Basis der unteren Verbindungsstange 108 liegt an dem Befestigungsflansch 78 der ersten Vorderwand 76 an und ist an diesem an einer Reihe von Punkten 110 befestigt. Der rückwärtige Schenkel der unteren Verbindungsstange 108 ist mit zwei geschlitzten ösen 112 (Fig. 5 und 7) versehen, die an der Stelle 114 an den geflanschten Schenkeln 116 einer U-förmigen Tragvorrichtung 118

to befestigt sind. Flansche 120 der Schenkel 116 stützen sich an zugeordneten Schenkeln 92 der Verbindungsstange 90 ab (Fig.4), und Bolzen 122 erstrecken sich durch fluchtende öffnungen in den Flanschen 120, Schenkeln 92 und Seitenflanschen 54, und sind in mit einem Innengewinde versehene Blöcke 124 eingeschraubt, die an die Seitenflansche 54 geschweißt sind, um die Verbindungsstangen 90, 94 und 108 an der Tragvorrichtung 40 starr zu verankern.

Das außenliegende linke Ende der unteren Verbin-

2i) dungsstange 108 ist am Punkt 126 nach oben abgebogen (Fig. 7) und an eine geeignete Halterungsstruktur angeschraubt, die an dem A-Pfosten der Karosserie angebracht ist. Diese Halterungsstruktur kann die gleiche wie die für die Verbindungsstangen 90 und 94 sein. Die Basis der U-förmigen Tragvorrichtung 118 ist am Punkt 128 (Fig. 4) an die untere Wand 130 des Mittelabschni'.tes 72 der Knieabstützvorrichtung angeschraubt. Die untere Wand 130 ist eine Fortsetzung des Befestigungsflansches 78 und geht durch eine Seiten-

jo wand 132 (Fig. 2) in die erste Vorderwand 76 über. Weiterhin geht sie in eine Vorderwand 134 über, die in einem gebogenen Flansch 136 endet, der eine gebogene öffnung begrenzt, die den hinteren Teil 32 der Lenksäule aufnimmt. Der Mittelabschnitt 72 weist somit

J5 eine kastenähnliche Gestalt auf und kann gewünschten-FaIIs ein Gehäuse für einen Auslaß einer Klimaanlage bilden. Der Mittelabschnitt ist mit dem Weichschaummaterial 86 und der Dekorationsabdeckung 88 bedeckt, wie dies in Fig. 4 dargestellt ist. Die Tragvorrichtung 118 umgibt den hinteren Teil 32 der Lenksäule (F i g. 4) und ist im Mittelabschnitt 72 gelegen. Deshalb ist es praktisch unmöglich, daß der Mittelabschnitt 72 der Knieabstützvorrichtung 68 aufgrund einer Berührung durch die Knie des Fahrers in die Lenksäule hineingebogen werden kann. Somit kann das Gesamtverhalten der Lenksäule nicht durch irgendeine Deformation der Knieabstützvorrichtung 68 beeinträchtigt werden.

Die links gelegenen Verbindungsstangen 90 und 94 verankern die obere Kante des linken Seitenabschnittes 70 der Knieabstützvorrichtung 68 starr an der Tragvorrichtung 40 und sind ihrerseits an ihren äußeren Enden an dem /4-Pfosten des Fahrzeugs verankert, der einen festen Karosseriebestandteil darstellt. Die untere

■>5 Kante des linken Seitenabschnittes 70 ist an der U-förmigen Tragvorrichtung 118 und ebenfalls an dem Α-Pfosten verankert Somit ist der linke Seitenabschnitt 70 mit seiner oberen und seiner unteren Kante an einem festen Fahrzeugkarosseriebestandteil starr verankert, so daß jegliche Berührung durch die Knie des Fahrers zu einer energieabsorbierenden Deformation der Vorderwand 76 und nicht zu einer Deformation des Armaturenbretts oder einer Loslösung des Kniepanels vom Armaturenbrett und dem festen Fahrzeugkarosseriebestandteil führt.

Der rechte Seitenabschnitt 70 ist an den Tragvorrichtungen 40 und 118 in der gleichen Weise wie der linke Seitenabschnitt 70 durch die mit gleichen Bezugsziffern

bezeichneten Verbindungsstangen 90 und 94 und die rechte Verlängerung der Verbindungsstange 108 verankert. Die rechten Enden der Verbindungsstangen 90 und 108 können entweder an zusätzlichen Verbindungsstangen, die sie durch ein Kniebrett für einen Insassen auf ~. dem rechten Vordersitz tragen, oder an der Spritzwand 18 der Karosserie durch eine geeignete Halterungsstruktur 138(Fi g. 7) befestigt sein.

Zwar sind die Seitenabschnitte 70 in bezug aufeinander und den Mittelabschnitt 72 in Draufsicht gesehen in winklig angeordnet; dies ergibt sich jedoch aus der Gestalt des Instrumentengruppenbereichs 140 des Instrumentenbretts 26, wie dies in F i g. 9 dargestellt ist, und ist nicht von wesentlicher Bedeutung.

Fig. 6 veranschaulicht die Beziehung der vorderen r> Oberfläche des linken Knies 142 des Fahrers 16 zu der vorderen Oberfläche des linken Seitenabschnitts 70 der dargestellten Knieabstützvorrichtung. Die Oberfläche des Knies 142 des Fahrers ist im allgemeinen parallel zu der vorderen Oberfläche des Seitenabschnittes 70 und _>o der Vorderwand 76 der Knieabstützvorrichtung gelegen. Dies gilt auch, wenn der Seitenabschnitt 70 leicht abgewinkelt ist. Der Abstand des Knies zu der Knieabstützvorrichtung variiert mit den Proportionen des Fahrers und kann von näherungsweise 44 mm bis 2^r> 89 mm reichen. Vorteilhafterweise wird der Abstand so klein wie möglich gehalten, da es erwünscht ist, die Belastung an den Oberschenkelknochen des Fahrers, die aus einer Berührung der Knie des Fahrers mit dem Seitenabschnitt 70 der Knieabstützvorrichtung resul- i< > tiert, so schnell wie möglich bis zu der vorbestimmten konstanten Toleranzgrenze zu erhöhen, um möglichst viel kinetische Energie des Fahrers zu absorbieren. Eine solche augenblickliche Zunahme der Belastung erfordert eine augenblickliche Berührung der Knie des i^r> Fahrers mit der Knieabstützvorrichtung. Die Belastung an den Oberschenkelknochen eines Fahrers soll, wie bereits erwähnt, während der Dauer des Aufpralls auf die Knieabstützvorrichlung ständig etwa 6230 N betragen. Ein solcher Aufprall kann zu einer Deformation der w Vorderwand 76 von ca. 38 mm bis zu 89 mm führen.

Die Dekorationsabdeckung 88 und das Weichschaummaterial 86 unterstützen, wie bereits ausgeführt, einander bei einer das Knie des Fahrers umschließenden Taschenbildung, um jegliche Gleitbewegung des Knies in bezug auf den Seitenabschnitt zu verhindern, wenn die vordere Oberfläche 142 des Knies des Fahrers den Seitenabschnitt 70 der Knieabstützvorrichtung berührt. Es wird vorausgesetzt, dal.' der /i-Punkt des Beins des Fahrers stationär bleibt bzw. daß eine Bewegung des Punktes vor der Berührung der vorderen Oberfläche des Knies mit der Knieabstützvorrichtung erfolgt ist. Wenn die kinetische Energie des Unterkörpers des Fahrers innerhalb vorbestimmter Grenzen liegt, tritt keine Deformation der Vorderwand 76 auf, und wenn dann der Unterkörper in den Sitz zurückprallt, nehmen die Dekorationsabdeckung 88 und das Weichschaummaterial 86 ihre anfängliche Gestalt wieder an. Wenn die kinetische Energie bestimmte Grenzen übersteigt, tritt die vordere Oberfläche 142 des Knies des Fahrers mit der Vorderwand 76 durch die Dekorationsabdekkung 88 und den zusammengedrückten Teil des Weichschaummaterials 86 hindurch in Berührung und verformt diese Wand. Durch diese Verformung wird die kinetische Energie des Unterkörpers des Fahrers absorbiert und die Bewegung des W-Punktes auf den in K i g. 10 angegebenen Bereich //-Wbegrenzt, wenn sich der Kniepunkt von K nach K'übcr einen um den relativ stationären Λ-Punkt erzeugten Bogen bewegt. Die Resultierende K'-H'\si im wesentlichen koaxial zu dem Oberschenkelknochen des Fahrers gerichtet und die resultierende Druckbelastung steuert die Kinematik des Oberkörpers des Fahrers um den Punkt H', so daß der Oberkörper sich in Richtung der Lenksäule bewegt. Der Grad der Verformung der Vorderwand 76 variiert mit der Proportion und der Trägheitskraft des Körpers des Fahrers. Wenn vorausgesetzt wird, daß ein Frontalzusammenstoß gegen ein starres Hindernis mit etwa 50 km/h erfolgt, eine Knie-Aufprallgeschwindigkeit von etwa 20 km/h auftritt und die Knieabstützvorrichtung die Eigenschaften konstanter Energieabsorption zeigt, dann verformt ein leichter Fahrer die Vorderwand 76 näherungsweise um 38 mm, ein rnittelschwerer F'ahrer um näherungsweise 64 mm und ein schwerer Fahrer um näherungsweise 89 mm. Die zugeordneten Massen des Unterkörpers sind dabei mit 21,3 kg, 34,2 kg und 45.7 kg vorausgesetzt und es wurde angenommen, daß die wirksamen Gewichte um 20% geringer sind.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Aufprallschutzvorrichtung für den Fahrer eines Kraftfahrzeuges mit einer beim Aufprall des Oberkörpers des Fahrers auf das Lenkrad in definierter Weise zusammendruckbaren, durch plastische Verformung energieabsoi bierenden Lenksäulenanordnung und einer unterhalb des Armaturenbrettes befestigten Knieabstützvorrichtung, d a durch gekennzeichnet, daß die Knieabstützvorrichtung (68) zwei durch einen starren, die Lenksäule zumindest teilweise umgebenden Mittelabschnitt (72) verbundene, bei normaler Sitzposition des Fahrers (16) mit geringem Abstand vor dessen Knien (142) angeordnete und durch Tragvorrichtungen (90, 94 bis 108) am Fahrzeug (10) abgestützte Seitenabschnitte (70) umfaßt, die bei einem Aufprall unter Absorption von Energie in einer etwa parallel zu den Oberschenkelknochen verlaufenden Hauptverformungsrichtung (H—K) plastisch verformbar sind.

2. Aufprallschutzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine den Mittelabschnitt (72) am Fahrzeug (10) abstützende Tragvorrichtung (118, 120, 122, 54, 40) den Mittelabschnitt (72) mit der Halterung (46,50,58) der Lenksäule (30, 32) verbindet.

3. Aufprallschutzvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Tragvorrichtung (90,94 bis 108) für die Seitenabschnitte (70) mit der Tragvorrichtung (118, 120, 122, 54, 40) für den Mittelabschnitt (72) verbunden ist.

4. Aufprallschutzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Anspruchs, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenabschnitte (70) mit ihren oberen Kantenteilen (82, 84) angrenzend an die untere Kante des Armaturenbrettes und an ihrer Tragvorrichtung (90, 94 bis 108) entlang ihrer unteren Kantenabschnitte (78) befestigt sind.

5. Aufprallschutzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Abschnitt (70,72) der Knieabstützvorrichtung in an sich bekannter Weise eine plastisch verformbare Metallbasis (74) aufweist, die mit einer Schicht aus elastisch verformbarem Material (86,88) gepolstert ist.