DE3321197A1

DE3321197A1 - Rohr, insbesondere fuer eine sicherheitslenksaeule fuer kraftfahrzeuge

Info

Publication number: DE3321197A1
Application number: DE19833321197
Authority: DE
Inventors: Horst Dr.-Ing. 8000 München Bansemir; Bernd Dipl.-Ing. 8011 Kirchheim Bongers
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1983-06-11
Filing date: 1983-06-11
Publication date: 1984-12-13
Also published as: FR2558105A1; GB2141214A; IT8421313A0; FR2558105B1; US4577736A; DE3321197C2; IT1174150B; IT8421313A1; GB8414048D0; GB2141214B; JPS6035660A

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf ein Rohr, insbesondere für eine Sicherheitslenksäule für Kraftfahrzeuge gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Derartige Rohre, im allgemeinen zylindrische Rohre, werden zwar im Kraftfahrzeugbau für Antriebswellen, Lenksäulen usw. verwendet. Sie werden aus faserverstärkten Werkstoffen mit einem Wickelwinkel der Fasern von im wesentlichen _ 45^p gegenüber der Rohrlängsachse gewickelt. Beim Einleiten von Torsionsmomenten werden die Fasern in ihrer Orientierungsrichtung, also auf Zug bzw. Druck belastet. Die Rohre werden entweder aus einzelnen Fasern oder aus flachen Faserbändern gewickelt, die untereinander mit einem aushärtbaren Harz, verbunden werden. Derartige Rohre können für gegebene Faser- und Bindemitteleigenschaften auf optimale Festigkeit und Steifigkeit bezüglich der Torsionsbelastung ausgelegt werden.

In vielen Anwendungsgebieten, so z. B. beim Bau von Antriebswellen für Kraftfahrzeuge oder insbesondere Sicherheitslenksäulen für Kraftfahrzeuge ist es notwendig, ein torsionsbelastetes Rohr insgesamt oder an diskreten Stellen biegeweich zu gestalten, da die Achse des eingeleiteten und des abgegebenen Drehmomentes ihre Position zueinander ändern. Bei Sicherheitslenksäulen kommt es zudem darauf an, daß im Falle eines Auffahrunfalles Verletssungen der Fahrzeuginsassen unwahrscheinlich gemacht werden .Deshalb wird zusätzlich gefordert, daß trotz der JTorsionssteifigkeit die Lenksäule in Längsrichtung elastisch ist und/oder bei einer möglichst niedrigen Last in Längsrichtung gestaucht oder zerstört wird.

Eine derartige Sicherheitslenksäule ist aus der DE-OS 30 45 141 bekannt. Zumindest ein Teil dieser Sicherheitslenksäule ist als Gitterrohr ausgebildet, das aus Faser-

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strangbändern gewickelt ist. Der WickeMnkel der Faserstrangbänder beträgt hierbei im wesentlichen * 45°. Die Anforderungen an die Steifigkeit der Sicherheitslenksäule können in weiten Bereichen variiert werden, z. B. durch die Anzahl der Faserstranglagen bei den einzelnen

Gittersträngen oder durch die Wahl der Breite der gewickelten Faserbänder sowie durch den Wickelwinkel.

In der Patentanmeldung P 32 29 209.0 der Anmelderin ist vorgeschlagen worden, als Sicherheitslenksäule bzw. als Teil einer solchen Lenksäule eine hohle Welle mit mindestens einer im Durchmesser vergrößerten und längsgeschlitzten Aufweitung zu versehen, so daß in dem Bereich der Aufweitung die Rohrwandung auf in Längsrichtung gewölbte, im wesentlichen ebenflächige.'.Bänder reduziert ist. Die Verbindung der beiden Vollrohrstücke wird etwa durch vier, jeweils um 90° versetzte Bänder übernommen, die jeweils aus drei durch Knickstellen verbundenenPlatten zusammengesetzt sind.

Ein solches aufgeweitetes Rohr kann auch aus faserverstärkten Werkstoffen gewickelt werden. Um die durchbrochene Aufweitung zu erhalten, muß mit einem nach dem Wickeln zerstörbaren Hilfskern z. B. aus Schaumstoff gearbeitet werden. Die Durchbrechungen innerhalb der Aufweitung können entweder nach dem Wickeln aufgeschnitten oder auch von vornherein beim Wickeln durch entsprechende Schablonen freigehalten werden, wobei dann jedoch der Wickelwinkel in dem Aufweitungsbereich nicht mehr — 45° beträgt.Bei Einleiten von Torsionskräften in das aufgeweitete Rohr werden die schmalen Bänder im Bereich der Ausbeulung nicht nur durch Torsionskräfte, sondern auch durch Querkräfte belastet.

Der Erfindung liegt die Augabe zugrunde, ein Rohr der in Frage kommenden Art, insbesondere für eine Sicherheits-

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lenksäule für Kraftfahrzeuge, aus gewickelten faserverstärkten Werkstoffen so zu verbessern, daß ohne Beeinträchtigung der Torsionsbelastbarkeit die Biege- und Drucksteifigkeit erheblich herabgesetzt werden, ohne daß die Fertigung aufwendiger wird.

Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Gemäß diesen Merkmalen wird bei einem Rohr aus faserverstärkten Werkstoffen mit einem Wickelwinkel von im wesentlichen 45° zusätzlich die Wandung des Rohres in seinem, homogenen Bereich mit einer Aufweitung bzw. einer Ausbeulung versehen.. Hierdurch wird die Biegesteifigkeit des Rohres erheblich herabgesetzt, ohne indessen die Torsionsfestigkeit negativ zu beeinflussen. Die Wirkung dieser Maßnahme beruht darauf, daß die Wandungselemente des Rohres bei Biege- oder Druckbelastung im Bereich der Ausbeulung einzeln auf Biegung belastet werden, d. h. für die Druck- bzw. Biegesteifigkeit ist nicht die Rohrgeometrie als Ganzes maßgebend, sondern die Dicke der Wandung, so daß sich aus dem Verhältnis von Wanddicke zu Durchmesser, das in groberAnnäherung mit der dritten Potenz eingeht, ein entsprechendes Verhältnis der einzelnen Steifigkeiten ergibt. Hierdurch können sehr geringe Biege- und Langssteifigkeiten erreicht werden, deren Werte nach unten nur dadurch eingeschränkt sind, daß bei Verformung des obersten Bereich der Aufweitung bzw. Ausbeulung Umfangsspannungen entstehen, die der Verformbarkeit entgegenwirken.

Bei der Herstellung des Rohres werden die Fasern bzw. die Faserbänder mit einem Wickelwinkel von im wesentlichen _ 45° gewickelt, wobei diese Winkelanordnung ohne Unterbrechung auch im Bereich der Aufweitung

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bzw. Ausbeulung eingehalteil wird. Durch diese Wickelanordnung können optimale Eigenschaften hinsichtlich Torsionsfestigkeit und -steifigkeit sowie Biegeweichheit erzielt werden, die z.B. mit Metallrohren nicht erreichbar sind. Insbesondere auch die auftretenden ümfangsspannungen sind bei der gewölbten Wickelanordnung geringer als z.B. bei Metallrohren, da diese Kräfte in einem Winkel von 45° zur Richtung der Verstärkungsfasern wirken. Bezüglich dieser Belastungsrichtung besitzt aber das durch die gewölbte Wickelanordnung entstehende Laminat im Vergleich zu anderen Belastungsrichtungen eine sehr geringe Steifigkeit (s.z.B. Kaudbuch Faserverbund-Leichtbau, Arbeitsblatt VB 22300-05, Seite 3). Das mechanische Verhalten eines Rohres gemäß der Erfindung mit einer Aufweitung bzw. Ausbeulung und einem etwa gleichbleibenden Wickelwinkel von im wesentlichen - 45° kann noch stärker ausgeprägt werden, wenn statt eines VoIlrohres mit einer geschlossenen Wandung insbesondere im Bereich der Aufweitung bzw. Ausbeulung eine offene Netzstruktur z. B. aus Faserbändern gewählt wird. Auch hier werden bei Torsionsbelastung die einzelnen Faserbänder bzw. Stränge auf Druck und Zug belastet. Die Knotenpunkte der einzelnen Faserbänder sollen jeweils an die Stellen der größten Umlenkung im Bereich der Aufweitung bzw. Ausbeulung gelegt werden. Auf diese Weise bleibt das Tragverhalten des Rohres bei Torsionsbelastung im Bereich der Aufweitung bzw. Ausbeulung gleich wie im Bereich gleichbleibenden Durchmessers. Durch die Netzstruktur zumindest im Bereich der Aufweitung bzw. Ausbeulung bauen sich in ümfangsrichtung noch geringere Spannungen als bei einer Vollbauweise auf, so daß ein Versteifungseffekt hierdurch nahezu völlig entfällt. Das bedeutet, daß der E-Modul in Ümfangsrichtung durch die Netzstruktur noch kleiner gemacht werden kann, so daß die Rohrstruktur in dem Netzbereich insgesamt "weicher" wird .

Als besonders vorteilhaft hat sich eine etwa doppelkegelige Ausbeulung in Netzstruktur erwiesen, wobei die beiden Basisflächen der Keg_el aneinanderstoßen. Jedoch sind auch unsymmetrische Ausbeulungen oder kegelige Aufweitungen von einem Rohrdurchmesser zu einem zweiten Rohrdurchmesser möglich.

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Weitere Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen in Verbindung mit der Beschreibung hervor, in der die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert ist. In der Zeichnung stellen dar:

Figur 1 eine perspektivische Ansicht der vorderen Hälfte eines Rohres gemäß der Erfindung mit einer Ausbeulung zur Erniedrigung der Druck- und Biegesteifigkeit;

Figur 2 eine schematische Ansicht des in Figur 1 dargestellten Rohres in normalem und in gestauchtem Zustand.

In Figur 1 ist die vordere Hälfte eines Teiles eines Rohres 1 für eine Sicherheitslenksäule dargestellt. Das Rohr ist aus faserverstärktem Werkstoff in Form von Faserstrangbändern 2 gewickelt, wobei der Wickelwinkel über die Länge des Rohres im wesentlichen - 45° beträgt. Das Rohr 1 mit. dem Durchmesser D ist mit einer Ausbeulung 3 in Form . zweier mit ihren Basisflächen aneinanderstoßender Kegelstümpfe versehen, in dessen Bereich die Wicklung der Faserstrangbänder 2 homogen weitergeführt wird. Durch die Wicklung aus relativ breiten Faserstrangbändern in mehreren Lagen ergibt sich in dem dargestellten Fall ein Rohr, daß im Bereich des Rohrdurchmessers D nahezu als Vollrohr anzusehen ist, während es im Bereich der Ausbeulung 3 eine Neztstruktur ist. Der Rohrdurchmesser D beträgt z. B. 44 mm, der Durchmesser D 1 der Ausbeulung 64 mm. Beim Wickelvorgang wird darauf geachtet, daß jeweils auf den Umfangskrelsen Ul und U2 am übergang zwischen dem Rohr mit dem Durchmesser D und der Ausbeulung und auf dem Umfangskreis U3 mit dem größten Durchmesser D1 der Ausbeulung Kreuzungsbzw. Knotenpunkte P der Faserstrangbänder 2 liegen.

In Figur 2 ist das Rohr 1 in Normalzustand und punktstrichliert in achsial-gestauchtem Zustand dargestellt. Beim Stauchen des Rohres wird das Rohr im Bereich der

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Ausbeulung 3 verformt und nimmt dann einen größeren Durchmesser D1 an. Bei der Verformung bricht das Netzgitter der Ausbeulung 3 an den Knotenpunkten und den FaserStrangbändern selbst.

Ein Rohr wie oben beschrieben wurde aus Roving EC 9/756 tex K 43 HF in einem Achtfach-Muster in sechs Lagen mit einem Bindemittelharz CY 209/HT 972 gewickelt. Das Rohr hatte einen Durchmesser D von 44 mm, der im Bereich der doppelkegeligen Ausbeulung auf 64 mm stieg. Bruch trat im Netzgitter bei 1780 N auf.

Es wurden ferner zwei Prüflinge aus RovingEC 10/156tex in einem Achtfach-Muster in sechs Lagen mit einem Bindemittelharz CY 209/972 gewickelt. Ein Prüfling war ein Netzrohr mit konstantem Durchmesser, der andere Prüfling ein Netzrohr mit einer Ausbeulung gemäß der Erfindung. Die Rohre wurden auf Druck beansprucht, mit dem Ergebnis, daß der zylindrische Prüfling bei einer Kraft von 260 N, der Prüfling mit der Ausbeulung bei 108 N im Netzgitter brach, d. h. daß dieser Prüfling durch die Ausbeulung "weicher" ist. Die Torsionsbelastbarkeit ist bei beiden Prüflingen gleich.

Claims

Messerschmitt Bölkow Blohm GmbH Ottobrunn,15.03.83 Ottobrunn 9342-BT01-Cz-Hb-ma Rohr, insbesondere für eine Sicherheitslenksäule für Kräftfahrzeuge . . . Patentansprüche

1.) Rohr, insbesondere für eine Sicherheitslenksäule für Kraftfahrzeuge, aus gewickelten faserverstärkten Werkstoffen mit einem Wickelwinkel der Fasern von im wesentlichen _ 45^P gegenüber der Rohrlängsachse, dadurch gekennzeichnet , daß das gewickelte Rohr (1) mit einer um den gesamten Rohrumfang verlaufenden, ebenfalls mit einem Wickelwinkel von etwa 45° gegenüber der Rohrlängsachse gewickeli Aufwei.tu.rig (Ausbeulung 3) versehen ist.

2. Rohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (1). vor und nach der Ausbeulung (3) etwa gleichen Durchmesser (D) aufweist.

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3. Rohr nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (1) zumindest im Bereich der Ausbeulung (3) eine Netzstruktur aus gewickelten Faserstrangbandern (2) aufweist.

4. Rohr nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausbeulung (3) etwa die Form eines Doppelkegelstumpfes aufweist, dessen Basisflächen einander zugewandtsind.

5. Rohr nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Knotenpunkte (P) der Fasern bzw. Faserstrangbänder im Bereich der Ausbeulung (3) und des Überganges zu der Ausbeulung an Umfangsstellen (U1, U2, U3) größter Umlenkung in Längsrichtung des Rohres angeordnet sind.