DE2537947A1

DE2537947A1 - Vorrichtung zum absorbieren von stossenergie

Info

Publication number: DE2537947A1
Application number: DE19752537947
Authority: DE
Inventors: Toshio Oonuma; Yutaka Tanaka
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1974-08-29
Filing date: 1975-08-26
Publication date: 1976-03-18
Also published as: JPS5125673A; DE2537947C2; US4006647A; GB1515746A

Description

PATENTANWÄLTE A. GRÜNECKER

DIPL.-INQ.

H. KINKELDEY

DR.-ING.

W. STOCKMAIR

DR.-IN3. · AeE(CALTECH)

K. SCHUMANN

DR. RER. NAT. · DIPL.-PHYS.

P. H. JAKOB

DIPL.-INQ.

G. BEZOLD

DR. RER. NAT. ■ DIPL.-CHEM.

MÜNCHEN E. K. WEIL

DR. RER. DEC. INQ.

LINDAU MÜNCHEN 22

MAXIMILIANSTRASSE 43

26. Aug. 1975 P 94-90

TOYOTA JIDOSHA KOGYO KABUSHIKI KAISHA
1, Toyotacho, Toyota, Aichi, Japan

Vorrichtung zum Absorbieren von Stoßenergie

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Absorbieren von Stoßenergie mit zwei teleskopartig zueinander angeordneten, beweglich gelagerten Zylinderteilen, die unter dem Einfluß einer axial wirkenden Stoßkraft eine Relativbewegung zueinander ausführen, und mit zwischen den Zylinderteilen im Teleskopabschnitt mit einem Preßsitz gelagerten Wälzkörpern. Die Erfindung betrifft insbesondere ein Lenksystem für ein Kraftfahrzeug mit einer inneren Teleskoplenkwelle, die zwischen einem Lenkgetriebe und einem

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.TELEFON (O89) 22 28 62 TELEX OE-20380 TELEGRAMME MONAPAT

Lenkrad angeordnet ist, mit einer Stoßenergie absorbierenden Vorrichtung, die von zwei teleskopartig zueinander angeordneten, beweglich gelagerten Zylinderteilen gebildet ist, welche unter dem Einfluß einer axial wirkenden Stoßkraft eine Relativbewegung zueinander ausführen und die innere Lenkwelle umgreifend zwischen dem Lenkgetriebe und dem Lenkrad angeordnet sind, und mit zwischen den Zylinderteilen im Teleskopabschnitt mit einem Preßsitz gelagerten Wälzkörpern.

Mit der heute im Kraftfahrzeugbau vorhandenen Tendenz, die Motoren der Kraftfahrzeuge immer stärker auszulegen und damit höhere Spitzengeschwindigkeiten zu erzielen, werden die Sicherheitsanforderungen zum Schutz des Fahrers gegen Verletzungen bei Unfällen immer höher. Bei einem Zusammenstoß wird der Fahrer infolge der Massenträgheit nach vorn geschleudert, so daß er mit dem Oberkörper auf das Lenkrad auftrifft und ernsthaft verletzt werden kann. Aus diesem Grunde ist es üblich geworden, in das Kraftfahrzeug eine Lenksäule einzubauen, bei welcher sowohl die an dem Lenkrad befestigte Lenkwelle als auch eine tragende Verkleidung oder ein zylindrisches Mantelrohr derart ausgelegt sind, daß sie in Axialrichtung eine Teleskopbewegung ausführen können, um die Energie eines axial aufgebrachten Stoßes zu absorbieren. Wie an sich bekannt ist, besteht die am meisten verwendete Konstruktion darin, daß ein äußeres tragendes Mantelrohr aus zwei Mantelrohrabsehnitten hergestellt ist, die sich teleskopartig gegeneinander bewegen können und zwischen denen stoßabsorbierende Elemente angeordnet sind. Z.B. ist in der JA-PS 35527/71 eine Stoßenergie absorbierende Vorrichtung beschrieben, bei welcher sphärische Wälzkörper oder starre Kugeln zwischen zwei teleskopartig miteinander im Eingriff

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stehenden Mantelrohren mit einem Preßsitz angeordnet sind, so daß die starren Kugeln örtliche plastische Deformationen entlang ihrer RoIIbewegungsbahnen in den Wandflächen der Mantelrohre erzeugen, wenn die Mantelrohre unter dem Einfluß einer auf sie ausgeübten Stoßkraft eine axiale Relativbewegung ausführen.

Die vorbekannte Stoßenergie absorbierende Vorrichtung weist jedoch den Nachteil auf, daß sie keinen vollwertigen Schutz gegen Verletzungen bei Zusammenstößen gewährleistet. Es tritt nämlich zu Beginn der durch die Einleitung einer axialen Stoßkraft beginnenden Teleskopbewegung des äußeren tragenden Mantels der Lenksäule oder zu Beginn des stoßabsorbierenden Hubes der Lenksäule eine erhebliche zu überwindende Anfangskraft auf, welche eine Resultierende aus der von den stoßabsorbierenden Wälzkörpern oder starren Kugeln erzeugten Kraft, der zum Abscheren der gewöhnlich in einer Lenksäule verwendeten Scherstifte erforderlichen Kraft, einer zum Wegbrechen einer tragenden Schelle erforderlichen Kraft usw. und der Trägheitskraft der sich bewegenden Massen und anderer möglicher Kräfte ist. um die Größe dieser Anfangskraft niedrig zu halten, muß die Kennlinie dieser stoßabsorbierenden Vorrichtung abgesenkt werden, so daß die Absorption weiterer Kräfte durch die Vorrichtung plötzlich verringert wird. Die Wirkungsweise der Stoßenergie absorbierenden Vorrichtung ist daher unbefriedigend.

Die Erfindung ist darauf gerichtet, eine Stoßenergie verzehrende Vorrichtung der vorgenannten Art derart zu verbessern, daß sie die beschriebenen Nachteile nicht aufweist und daß ein verbesserter Wirkungsgrad beim Absorbieren der Stoßenergie erzielt wird. Die Erfindung ist ferner darauf gerichtet,

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eine Vorrichtung der vorgenannten Art zu schaffen, deren Last-Hub-Verhältnis einen optimalen Verlauf besitzt.

Die Erfindung besteht darin, daß wenigstens eine Führungseinrichtung in wenigstens einem Zylinderteil vorgesehen ist, welche sich in einer vorbestimmten Länge von dem Teleskopabschnitt in Axialrichtung erstreckt, und daß wenigstens ein frei rollender Wälzkörper mit einem Paßsitz in die Führungseinrichtung eingesetzt und im Teleskopabschnitt zwischen den Zylinderteilen angeordnet ist.

Die Absorption der Stoßenergie erfolgt daher vorteilhaft stufenweise, ohne daß eine zu überwindende Spitzenkraft auftritt.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Darin zeigen:

Fig.1 eine schematische perspektivische Ansicht des teilweise aufgebrochenen Lenksystems eines Kraftfahrzeuges, bei welchem die erfindungsgemäße Vorrichtung Verwendung findet;

Fig.2 eine schematische perspektivische Ansicht der teilweise aufgebrochenen Stoßenergie absorbierenden Vorrichtung gemäß der Erfindung;

Fig.3,4

und 5 Querschnittansichten verschiedener Ausfuhrungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung;

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Fig.6 ein Diagramm, in welchem das bei einem Stoß auftretende Last-Hub-Verhältnis dargestellt ist, und

Fig.7 eine Seitenansicht eines Käfigs zur Aufnahme der Wälzkörper.

Wie dies aus der Fig.1 zu entnehmen ist, weist die Lenksäule, bei welcher die erfindungsgemäße Vorrichtung Verwendung findet, in herkömmlicher Weise eine Lenkwelle 7 auf, die zwischen einem Lenkrad 15 und einem Lenkgetriebe 17 des Fahrzeuges angeordnet ist. Ferner besitzt die Lenksäule ein äußeres tragendes Mantelrohr 10, eine Lenksäulenverkleidung 13 und einen abbrechbaren Träger 14, mit welchem die Lenksäule normalerweise über einen Hebel 16 mit der Spritzwandkonstruktion 41 der Kraftfahrzeugkarosserie verbunden ist. Ferner besteht die Lenkwelle 7 in an sich bekannter Weise aus zwei teleskopartig zueinander angeordneten Lenkwellenabschnitten 11 und 12, die normalerweise mittels Scherstiften 18 in Axialrichtung zueinander festgelegt sind. Ebenso besteht das äußere tragende Mantelrohr 10, welches die Lenkwelle 7 umschließt, aus zwei teleskopartig zueinander angeordneten Mantelrohrabschnitten, nämlich einem Mantelrohrabschnitt 1 mit einem kleineren Durchmesser und einem Mantelrohrabschnitt 2 mit einem größeren Durchmesser.

Wie die Fig.2, 3, 4 und 5 erkennen lassen, sind starre Kugeln oder Wälzkörper 4 mit einem Preßsitz zwischen den beiden teleskopartig zueinander angeordneten Mantelrohrabschnitten 1 und 2 angeordnet, wobei die Wälzkörper 4 derart von einem Käfig 3 gehalten werden, daß sie in ringförmigen Reihen mit im wesentlichen gleichem Abstand zwischen den Reihen angeordnet sind. Wie dies am besten aus der Fig.2 zu entnehmen ist, besitzt ein Mantelrohrabschnitt (bei dem darge-

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stellten Ausführungsbeispiel der Mantelrohrabschnitt 1 mit dem kleineren Durchmesser) an seiner Außenfläche eine Führungseinrichtung 6, die z.B. in Form einer ausgesparten Nut mit einer bestimmten Länge L gebildet sein kann, welche sich in Axialrichtung bis über den Teleskopbereich der beiden Mantelrohrabschnitte hinaus erstreckt. Eine sich frei bewegende starre Kugel oder ein Wälzkörper 5, welcher spielfrei zwischen den beiden Mantelrohrabschnitten 1 und 2 angeordnet ist, wird ebenfalls von dem Käfig 3 gehalten und greift in die Führungsnut 6 ein. Der Sitz dieser Kugel dieses Wälzkörpers ist derart bemessen, daß sich der Wälzkörper zwischen den Mantelrohrabschnitten auf den fortlaufenden Wandflächen der Mantelrohrabschnitte im wesentlichen frei drehen oder rollen kann, ohne daß überhaupt eine Kraft oder wenn, dann nur sehr geringe Kräfte wirken müssen. Außerdem ist der sich frei bewegende Wälzkörper 5 mit dem Kugelkäfig und den vorbeschriebenen Wälzkörpern 4 am vorderen Ende der Mantelrohrabschnitte angeordnet, wie dies gezeigt ist, so daß die Führungsnut beim Zusammenbau der Lenksäule leicht und sicher in bezug auf den Mantelrohrabschnitt 2 in Umfangsrichtung ausgerichtet werden kann.

Die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Stoßenergie absorbierenden Vorrichtung soll nachfolgend beschrieben werden. Wenn eine axial gerichtete Stoßkraft auf das äußere tragende Mantelrohr 10 wirkt, dann beginnt der Mantelrohrabschnitt 2 mit dem größeren Durchmesser sich auf und entlang dem Mantelrohrabschnitt 1 teleskopartig zu bewegen, so daß sich die mit einem Preßsitz angeordneten starren Wälzkörper 4 drehen und auf der Außenfläche des Mantelrohrabschnittes 1 oder der Innenfläche des Mantelrohrabschnittes 2 plastische Deformationen hervorrufen und auf

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den Oberflächen Eindrücke hinterlassen. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Größe der zu absorbierenden Kraft-, die in der Fig.6 durch den Punkt A angegeben ist, sehr groß, da zusätzlich zu der Scherkraft der Wälzkörper

4 die Kraft hinzukommt, die erforderlich ist, um die in der Lenksäule 7 angeordneten Scherstifte abzuscheren, und diejenige Kraft, die erforderlich ist, um den Lenksäulenträger wegzubrechen, und schließlich die Trägheitskräfte der sich bewegenden Massen. Unterdessen rollt der sich frei bewegende und von dem Käfig 3 gehaltene Wälzkörper 5 in der Führungsnut 6 entlang, wobei er mit den angrenzenden Wandflächen der Mantelrohrabschnitte t und 2 fast kaum oder nur sehr leicht in Berührung kommt, so daß nur eine geringe Kraft von ihm ausgeübt wird. Wenn jedoch die Relativbewegung der beiden Mantelrohrabschnitte größer als die Länge L der Nut ist, dann wird der sich frei drehende Wälzkörper

5 auf die äußere Zylinderfläche des Mantelrohrabschnittes

1 gedrückt und rollt auf diesem Mantelrohrabschnitt weiter, wobei er genauso wie die Wälzkörper 4 zwischen die beiden Mantelrohrabschnitte gepreßt wird und Eindrücke auf der Außenfläche des Mantelrohrabschnittes 1 oder der Innenfläche des Mantelrohrabschnittes 2 hinterläßt. Durch den sich frei drehenden Wälzkörper 5 wird daher eine zusätzliche Kraft zur Absorption einer Stoßkraft hervorgerufen. Es sei erwähnt, daß die Länge L derart bemessen ist, daß die Absorption der Stoßkraft durch den sich frei drehenden Wälzkörper 5 gerade dann beginnt, wenn die Absorption der anfänglich wirkenden Stoßkraft durch das Abscheren der in der Lenksäule 7 angeordneten Scherstifte aufhört. Durch die stoßabsorbierende Wirkung des sich frei drehenden Wälzkörpers 5 wird es ermöglicht, die anfänglich erreichte Absorptionskraft während der ganzen Stoßabsorption auf einem hohen Wert zu halten. Infolgedessen weist die erfindungsge-

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mäße Stoßenergie absorbierende Vorrichtung ein wesentlich verbessertes Last-Hub-Verhältnis auf, welches in der Fig.6 mit einer ausgezogenen Linie dargestellt ist. In dieser Figur zeigt die gestrichelte Kurve das Verhalten einer herkömmlichen Vorrichtung, bei welcher lediglich die Wälzkörper 4 vorgesehen sind, wobei eine hohe Absorptionskraft zu Beginn des Stoßes oder zu Beginn der Bewegung des Mantelrohrabschnittes erreicht wird, während jedoch die Absorptionskraft schnell abnimmt, so daß die Energie absorbierende Wirkung verschlechtert wird.

Obwohl vorstehend ausgeführt wurde, daß nur ein einziger frei drehbarer Wälzkörper 5 verwendet wird, können auch mehrere Wälzkörper dieser Art in Verbindung mit entsprechenden Führungsnuten 6 Verwendung finden, wobei die Festigkeit der Wälzkörper größer als die Festigkeit der Mantelrphrabschnitte ist und wobei die Verwendung mehrerer Wälzkörper 5 davon abhängig ist, welche Anfangsabsorptionskraft erzielt werden soll. Wie dies in der Fig.2 durch strichpunktierte Linien dargestellt ist, können auch eine oder mehrere Führungsnuten unterschiedlicher Länge vorgesehen sein, so daß eine Absorptionskraft erzielbar ist, die stufenweise wirkt.

Die Fig.3, 4 und 5 zeigen entsprechend, wie die Führungseinrichtungen in der Praxis in den Mantelrohrabschnitten angeordnet werden. Die Fig.3 zeigt, daß die Führungseinrichtung 6 in Form einer schlitzähnlichen öffnung ausgebildet sein kann, die in dem Mantelrohrabschnitt 1 angeordnet ist, während die Fig.4 zeigt, daß zwei Führungseinrichtungen 6 entsprechend in der Außenfläche des Mantelrohrabschnittes 1 bzw. der Innenfläche des Mantelrohrabschnittes 2 angeordnet sein können.

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Obwohl in der vorstehenden Beschreibung ausgeführt wurde, daß die erfindungsgemäße Vorrichtung in Verbindung mit einem Pahrzeuglenksystem Verwendung findet, ist die Anwendung der Erfindung nicht hierauf beschränkt, sondern die erfindungsgemäße Vorrichtung ist auch bei anderen Anwendungsfällen anwendbar, wo auf teleskopartig zueinander angeordnete Teile eine axiale Stoßkraft ausgeübt wird.

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Claims

P 9490

Patentansprüche

1. Vorrichtung zum Absorbieren von Stoßenergie mit zwei teleskopartig zueinander angeordneten, beweglich gelagerten Zylinderteilen, die unter dem Einfluß einer axial wirkenden Stoßkraft eine Relativbewegung zueinander ausführen, und mit zwischen den Zylinderteilen im Teleskopabschnitt mit einem Preßsitz gelagerten Wälzkörpern, dadurch gekennzeichnet , daß wenigstens eine Führungseinrichtung (6) in wenigstens einem Zylinderteil (1, 2) vorgesehen ist, welche sich in einer vorbestimmten Länge (L) von dem Teleskopabschnitt in Axialrichtung erstreckt, und daß wenigstens ein frei rollender Wälzkörper (5) mit einem Paßsitz in die Führungseinrichtung eingesetzt und im Teleskopabschnitt zwischen den Zylinderteilen angeordnet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungseinrichtung von einer in wenigstens einem Zylinderteil (1, 2) angeordneten Führungsnut (6) gebildet ist (Fig.4).

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungseinrichtung von einem in wenigstens einem Zylinderteil (1, 2) angeordneten Schlitz (6) gebildet ist (Fig.3).

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungsein-

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richtungen eine unterschiedliche Länge aufweisen.

Lenksystem für ein Kraftfahrzeug mit einer inneren Teleskoplenkwelle, die zwischen einem Lenkgetriebe und einem Lenkrad angeordnet ist, mit einer Stoßenergie absorbierenden Vorrichtung, die von zwei teleskopartig zueinander angeordneten, beweglich gelagerten Zylinderteilen gebildet ist, welche unter dem Einfluß einer axial wirkenden Stoßkraft eine Relativbewegung zueinander ausführen und die innere Lenkwelle umgreifend zwischen dem Lenkgetriebe und dem Lenkrad angeordnet sind, und mit zwischen den Zylinderteilen im Teleskopabschnitt mit einem Preßsitz gelagerten Wälzkörpern, dadurch gekennzeichnet , daß wenigstens ein Zylinderteil (1, 2) eine Führungseinrichtung (6) aufweist, welche sich in einer vorbestimmten Länge (L) von dem Teleskopabschnitt in Axialrichtung erstreckt, und daß wenigstens ein frei rollender Wälzkörper (5) mit einem Paßsitz in die Führungseinrichtung eingesetzt und zwischen den Zylinderteilen angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungseinrichtung von einer in wenigstens einem Zylinderteil (1 , 2) angeordneten Führungsnut (6) gebildet ist (Fig.4).

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7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Führungseinrichtung von einem in wenigstens einem Zylinderteil (1, 2) angeordneten Schlitz (6) gebildet ist (Fig.3).

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8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungseinrichtungen eine unterschiedliche Länge aufweisen.

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