DE3321197C2

DE3321197C2 - Rohr, insbesondere für eine Sicherheitslenksäule für Kraftfahrzeuge

Info

Publication number: DE3321197C2
Application number: DE3321197A
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: 1986-09-25
Also published as: JPS6035660A; GB2141214B; GB8414048D0; FR2558105B1; IT1174150B; GB2141214A; IT8421313A0; FR2558105A1; US4577736A; IT8421313A1; DE3321197A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Rohr, insbesondere für eine Sicherheitslenksäule für Kraftfahrzeuge, aus gewickelten, faserverstärkten Werkstoffen. Der Wickelwinkel der Fasern bzw. Faserbänder beträgt im wesentlichen ±45° gegenüber der Rohrlängsachse. Um hohe Torsionsmomente bei gleichzeitig niedriger Druck- und Biegebelastbarkeit aufnehmen zu können, weist das Rohr (1) eine um den gesamten Rohrumfang verlaufende Aufweitung bzw. Ausbeulung (3) auf, vorzugsweise eine doppelkegelige Ausbeulung. Auch im Bereich der Ausbeulung (3) kreuzen sich die Fasern (2) unter einem Winkel von im wesentlichen 90°, d. h. der Wickelwinkel von im wesentlichen ±45° gegenüber der Rohrlängsachse wird im Bereich der Ausbeulung beibehalten.

Description

a) das Rohr (1) ist insgesamt auch im Bereich der Aufweitung (3) mit einem Wickelwinkel von im wesentlichen ± 45° gegenüber der Rohrlängsachse gewickelt;

b) am Übergang zu der Aufweitung (3) sowie im Bereich des größten Durchmessers (Dl) der Aufweitung (3) sind längs des jeweiligen Umfanges (Ul, t/2, i/3) Kreuzungspunkte (P) der Fasern bzw. Faserstrangbänder vorgesehen.

2. Rohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (1) zumindest im Bereich der Aufweitung (3) eine Netzstruktur auf gewickelten Faserstrangbändern (2) aufweist.

3. Rohr nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufweitung (3) die Form eines Doppelkegelstumpfes aufweist, dessen Basisflächen einander zugeordnet sind.

4. Rohr nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (1) vor und nach der Aufweitung (3) den gleichen Durchmesser (D) aufweist.

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° 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 Verletzungen der Fahrzeuginsassen unwahrscheinlich gemacht werden. Deshalb wird zusätzlich gefordert, daß trotz der Torsionssteifigkeit 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 Faserstrangbändern gewickelt ist Der Wickelwinkel 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 WikkelwinkeL

Aus der US-PS 33 73 630 ist eine Sicherheitslenksäule bekannt, die jeweils im oberen und im unteren Bereich als Vollrohr ausgebildet ist Die beiden Vollrohrstücke sind mit Hilfe von sechs ebenen, einmal in der Mitte geknickten Bändern miteinander verbunden, so daß in diesem Bereich die Lenksäule aufgeweitet ist

Auch wenn es in dieser Patentschrift nicht ausdrücklich erwähnt ist, könnte diese Lenksäule aus faserverstärkten Werkstoffen gewickelt werden. Um die durchbrochene Aufweitung zu erhalten, müßte mit einem nach dem Wickeln zerstörbaren Hilfskem, z. B. aus Schaumstoff gearbeitet werden. Die Durchbrechungen innerhalb der Aufweitung können entweder nach dem Wickeln aufgeschnitten oder auch von vorneherein beim Wickeln durch entsprechende Schablonen freigehalten werden, wobei dann jedoch der Wickelwinkel in dem Aufwdtungsbereich nicht mehr die gewünschten Werte von ± 45° aufweist. In jedem Falle ist es nur mit erheblichem Aufwand möglich, die Festigkeitseigenschaften einer solchen Lenksäule reproduzierbar zu gestalten. Außerdem werden bei Einleiten von Torsionskräften in das aufgeweitete Rohr die schmalen Bänder im Bereich der Aufweitung nicht nur durch Torsionskräfte, sondern auch durch Scherkräfte belastet. Da bei Lenkbewegungen, z. B. beim Ein- und Ausparken erhebliche Torsionskräfte über die Lenksäule übertragen werden, müsser, auch die einzelnen Bänder entsprechend kräftig sein, was wiederum zu Lasten der bei einem Unfall erwünschten Biegeweichheit geht.

Aus der US-PS 34 12 628 ist eine Sicherheitslenksäule bekannt, die als deformierbares biegeweiches Element eine metallene Aufweitung mit Gitterstruktur aufweist. Diese Aufweitung wird dadurch hergestellt, daß eine zylindrische Gitterhülse mit Hilfe eines Preßwerkzeuges in die aufgeweitete Form gepreßt wird. Es ist einleuchtend, daß hierdurch die Festigkeitseigenschaften dieser Gitterstruktur nicht mit der erwünschten Genauigkeit reproduzierbar sind. Die Stränge der Gitterstruktür werden daher im Bereich des größten Umfanges und auch in den Übergangsbereichen zu nachfolgenden aufgeweiteten Gitterstrukturen auf eine gewünschte Dicke gebracht, indem an diesen Bereichen jeweils in Umfangsrichtung Nuten eingewalzt werden, um die Längssteifigkeit der Lenksäule auf Werte einzustellen, die bei einem Aufprallunfall des Kraftfahrzeuges relevant sind. Um gleichwohl die notwendige Torsionssteifigkeit sicherzustellen, muß die Gitterstruktur ansonsten relativ steif sein. Die Gitterstränge müssen demnach eine Dikke aufweisen, die auf jeden Fall größer ist als diejenige im Bereich der eingewalzten Nuten. Außerdem ist aufgrund der Fertigung anzunehmen, daß die Gitterstränge nicht in Winkeln von ± 45° zur Rohrlängsachse innerhalb der Aufweitung verlaufen, so daß bei Torsionsbclastungen wiederum Scherkräfte auftreten. Auch bei einer solchen Sicherheitslenksäule lassen sich die Festigkeitseigenschaften hinsichtlich Torsion, Biegung und Druck nicht optimal aufeinander abstimmen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Rohr der in Rede stehenden Art, insbesondere für eine Sicherheitslenksäule für Kraftfahrzeuge, aus gewickelten faserverstärkten Werkstoffen so zu verbessern, daß bei einfacher Fertigung die Festigkeitseigens^haften hinsichtlich Torsion, Biegung und Druck reproduzierbar und optimal aufeinander abzustimmen sind und daß ohne Beeinträchtigung der Torsionsbelastbarkeit die Biege- und Drucksteifigkeit erheblich herabgesetzt werden können.

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

Durch die Wicklung des gesamten Rohres, d. h. auch im Bereich der Aufweitung, mit Wickelwinkeln von ± 45° in bezug zur Rohrlängsachse 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 Aufweitung einzeln auf Biegung belastet werden. Für die Druck- bzw. Biegesteifigkeit ist somit nicht die Rohrgeometrie als Ganzes maßgeblich, sondern die Dicke der Wandung. Aus dem Verhältnis von Wanddicke zu Durchmesser, das in grober Annäherung mit der dritten Potenz verläuft, kann ein entsprechendes Verhältnis der einzelnen Steifigkeiten eingestellt werden, z. B. eine sehr geringe Biege- und Längssteifigkeit bei gleichzeitig hoher Torsionsbelastbarkeit.

Die im Betrieb auftretenden Umfangsspannungen bei Torsionsbelastungen sind durch die Wickelung auch geringer als z. B. bei Metallrohren, da diese Umfangsspannungen in einem Winkel von 45° zur Richtung der Fasern wirken. Bezüglich dieser Belastungsrichtung besitzt aber das durch die gewählte Wickelanordnung entstehende Laminat im Vergleich zu anderen Belastungsrichtungen eine sehr geringe Steifigkeit.

Die Knotenpunkte der Fasern bzw. Faserstrangbänder im Bereich der Aufweitung sind gemäß der Erfindung an den Stellen größter Umlenkung angeordnet, d. h. am Übergang zwischen den zylindrischen Teilen des Rohres und der Aufweitung sowie im Bereich des größten Durchmessers der Aufweitung. Hierdurch wird sichergestellt, daß die Kräfte in Umfangsrichtung an diesen Stellen nicht durch einzelne Faserstrangbänder aufgefangen werden. Das Tragverhalten des Rohres bei Torsionsbelastung im Bereich der Aufweitung entspricht auf diese Weise derjenigen im Bereich gleichbleibenden Rohrdurchmessers.

Die mechanischen Parameter des Rohres können noch flexibler eingestellt werden, wenn das Rohr zumindest im Bereich der Aufweitung eine Netzstruktur aufweist. Bei Torsionsbelastung werden die einzelnen Faserstrangbänder auf Druck und Zug belastet. Durch die Netzstruktur bauen sich in Umfangsrichtung noch geringere Spannungen auf als bei einer Vollbauweise, so daß ein Versteifungseffekt hierdurch nahezu völlig entfällt. Das bedeutet, daß der £-Modul in Umfangsrichtung durch die Netzstruktur noch kleiner gemacht werden kann, so daß die Rohrstruktur in dem Netzbereich insgesamt weicher wird.

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 stellt dar

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

F i g. 2 eine schematische Ansicht des in F i g. 1 dargestellten Rohres in normalem und in gestauchtem Zustand.

In Fig. 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 ± 45° beträgt. Das Rohr 1 mit dem Durchmesser D ist mit einer Aufweitung 3 in Form zweier mit ihren Basisflächen aneinanderstoßender Kegelstümpfe versehen, in deren 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, das im Bereich des Rohrdurchmessers D ein Vollrohr und im Bereich der Aufweitung 3 eine Netzstruktur ist. Beim Wickelvorgang wird darauf geachtet, daß jeweils auf den Umfangskreisen Ui und U2 am Übergang zwischen dem Rohr mit dem Durchmesser D und der Aufweitung und auf dem Umfangskreis U3 mit dem größten Durchmesser Di der Aufweitung Kreuzungspunkte P der Faserstrangbänder 2 liegen.

In F i g. 2 ist das Rohr 1 im Normalzustand und punktstrichliert im axial gestauchten Zustand dargestellt. Beim Stauchen des Rohres wird dieses im Bereich der Aufweitung 3 verformt und nimmt dann einen größeren Durchmesser D 2 an. Bei der Verformung bricht das Netzgitter der Aufweitung 3 an den Kreuzungspunkten und innerhalb der Faserstrangbänder.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Rohr, insbesondere für eine Sicherheitslenksäule für Kraftfahrzeuge, aus gewickelten faserverstärkten Werkstoffen in Form von getränkten Fasern oder Faserstrangbändern, mit einer als deformierbares biegeweiches Element dienenden, in bezug zur Rohrlängsachse rotationssymmetrischen Aufweitung, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale: