DE3710173A1 - Motor vehicle steering system with a steering wheel with integrated impact protection device - Google Patents
Motor vehicle steering system with a steering wheel with integrated impact protection deviceInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Kraftfahrzeuglenkung mit einem Lenkrad mit integrierter Aufprallschutzvorrichtung gemäß Oberbegriff des Patent anspruches 1.The invention relates to a motor vehicle steering system with a steering wheel with integrated impact protection device according to the preamble of the patent claim 1.
Bei Kraftfahrzeuglenkrädern stellt sich aufgrund der starren Kopplung der daran angeschlossenen Lenksäule mit anderen karosseriefesten Funktionseinheiten stets das Problem, daß zumindest in gewissen Geschwindigkeitsbereichen ein mehr oder weniger stark ausgeprägtes "Lenkradzittern" festzustellen ist, welches den Fahrkomfort bisweilen sehr nachhaltig beeinträchtigt. Wie Versuche ergeben haben, ist dieses Lenkradzittern bei Kraftfahrzeuglenkrädern mit integrierter Aufprallschutzvorrichtung in besonders ausgeprägter Weise anzu treffen.In motor vehicle steering wheels, due to the rigid coupling connected steering column with other functional units fixed to the body always the problem that at least in certain speed ranges there is more or less pronounced "steering wheel tremors" which sometimes has a lasting negative impact on driving comfort. Like attempts have resulted, this steering wheel tremor with motor vehicle steering wheels integrated impact protection device to be particularly pronounced to meet.
Ursächlich für diese Erscheinung ist u. a. eine gewisse Unwucht an der Hinter achse. Die Wirkung ist dann am größten, wenn die Unwucht an beiden Hinter rädern gleich ist, das heißt in die gleiche Richtung zeigt (gleichphasig). Normalerweise tritt dies nur zeitweilig auf, da in der Regel die Räder nie exakt den gleichen Umfang haben, so daß eine geringfügige Drehzahldifferenz die Folge ist. Grundsätzlich kann gesagt werden, daß das Lenkradzittern auch vom Fahrzeugtyp abhängig ist, da ebenso Querbeschleunigungen eine maßgeb liche Rolle spielen. In diesem Falle ist die Größtwirkung bei gegenphasiger Unwucht der Hinterräder festzustellen.The cause of this phenomenon is a. a certain imbalance on the rear axis. The effect is greatest when the imbalance on both rear is the same, that means pointing in the same direction (in phase). Usually this occurs only intermittently, as a rule the wheels never have exactly the same extent, so that a slight difference in speed The result is. Basically, it can be said that the steering wheel tremors also depends on the vehicle type, since lateral accelerations are also decisive play a role. In this case, the maximum effect is in opposite phase Determine unbalance of the rear wheels.
Stets ist es jedoch so, daß es kritische Geschwindigkeitsbereiche gibt, in denen dieses Lenkradzittern bezüglich Frequenz und/oder Amplitude besonders ausgeprägt und dabei besonders störend ist.However, it is always the case that there are critical speed ranges, in which this steering wheel tremors with regard to frequency and / or amplitude are particularly important pronounced and is particularly annoying.
Im Bestreben, dieser Erscheinung abzuhelfen, wurden bereits verschiedene Maßnahmen getroffen (beispielsweise Steifigkeitserhöhungen im Bereich der Lagerung der Lenksäule selbst und der Anbindung an das Lenkrad), die aber allesamt nicht den erhofften Erfolg gebracht haben. Häufig war dabei die Folge, daß der Resonanzbereich der Lenkradschwingungen in einen anderen Fahrzeug-Geschwindigkeitsbereich verlegt wurde, unter gleichzeitiger Erhöhung der Schwingungsamplitude.In an effort to remedy this phenomenon, there have been several Measures taken (e.g. increases in stiffness in the area of Storage of the steering column itself and the connection to the steering wheel), but all of which have not brought the hoped-for success. She was often there Consequence that the resonance range of the steering wheel vibrations into another Vehicle speed range was relocated while increasing the vibration amplitude.
Somit liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine geeignete Maßnahme aufzuzeigen, durch die das beschriebene Lenkradzittern beseitigt, zumindest jedoch beträchtlich eingeschränkt werden kann.The present invention is therefore based on the object of finding a suitable one To show measure by which the steering wheel tremor described is eliminated, can at least be considerably restricted.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß unter Verwendung einer gattungsgemäßen Kraftfahrzeuglenkung gelöst, die die kennzeichnenden Merkmale des Patentan spruches 1 aufweist.This object is achieved according to the invention using a generic Motor vehicle steering solved the characteristic features of the patent saying 1.
Die vorteilhafte Wirkung dieser Maßnahme wurde bereits anhand von Versuchen in überzeugender Weise bestätigt. So senkt die gedämpft schwimmende Lagerung des Gehäuses für die Aufprallschutzvorrichtung die Schwingungsamplituden des Lenkrades erheblich ab. Durch eine entsprechend abgestimmte Auslegung der Schersteifigkeit der die gedämpft schwimmende Lagerung bewirkenden Ele mente in Richtung quer zur Lenksäulen-Längsachse kann die Resonanzfrequenz des Gehäuses für die Aufprallschutzvorrichtung auf einen Geschwindigkeits bereich abgestimmt werden, bei dem noch keine großen Amplituden an der Fahr zeugkarosserie auftreten (beispielsweise 120 km/h). Bei höheren Fahrgeschwin digkeiten ist das Gehäuse dann "überkritisch" und wirkt wie eine zusätzliche Versteifung des Lenkrades.The advantageous effect of this measure has already been tested confirmed in a convincing way. This lowers the dampened floating bearing of the housing for the impact protection device the vibration amplitudes the steering wheel considerably. Through an appropriately coordinated design the shear stiffness of the elements causing the damped floating bearing elements in the direction transverse to the longitudinal axis of the steering column can be the resonance frequency the housing for the crash protection device to a speed range, in which there are still no large amplitudes on the drive witness body occur (for example, 120 km / h). At higher driving speeds The housing is then "supercritical" and acts like an additional one Stiffening of the steering wheel.
Durch die gedämpft schwimmende Lagerung wird die erste Eigenfrequenz des Systems Lenkrad/Gehäuse so niedrig abgestimmt, daß sie in einem Geschwindig keitsbereich zu liegen kommt, in dem noch keine hohen Anregungsamplituden auftreten.The first natural frequency of the Systems steering wheel / housing tuned so low that they are at a speed range in which there are still no high excitation amplitudes occur.
Zusätzlich vorgesehene, zur Lenkradachse symmetrisch angeordnete Federelemente mit relativ geringer Federsteifigkeit sollen bei Geradeausstellung des Lenk rades das Eigengewicht der Aufprallschutzvorrichtung kompensieren und so die Mittenstellung in den die schwimmende Lagerung gewährleistenden Lagern sicherstellen.Additionally provided spring elements arranged symmetrically to the steering wheel axis with relatively low spring stiffness when the steering is straight ahead rades compensate for the weight of the impact protection device and so the center position in the bearings that ensure floating storage to ensure.
Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispieles beschrieben und in der Zeichnung dargestellt. Diese zeigt dabei im einzelnen inThe invention is described using an exemplary embodiment and in shown in the drawing. This shows in detail in
Fig. 1 eine schematisierte Darstellung (Draufsicht) der Kraftfahrzeug lenkung mit der schwimmend gelagerten Aufprallschutzvor richtung, Fig. 1 is a schematic representation (top view) of the motor vehicle steering system with the floating Aufprallschutzvor direction,
Fig. 2 ein konstruktives Ausführungsbeispiel für eine schwimmende Lagerung, Fig. 2 shows a constructive embodiment of a floating bearing,
Fig. 3 eine Seitenansicht der Darstellung nach Fig. 2 (von der Lenksäule her betrachtet), Fig. 3 is a side view of the representation according to Fig. 2 (viewed from the steering column wise),
Fig. 4 ein Diagramm zur Darstellung des Schwingungsverhaltens der erfindungsgemäßen Kraftfahrzeuglenkung in Vergleich zum Stand der Technik und Fig. 4 is a diagram showing the vibration behavior of the motor vehicle steering system in comparison to the prior art and
Fig. 5 ein weiteres Diagramm zur Verdeutlichung der prinzipiellen Wirkung der schwimmenden Lagerung der Aufprallschutzvorrichtung Fig. 5 is another diagram for illustrating the principle effect of the floating mounting of the impact protection device
Fig. 1 zeigt in einer schematisierten Darstellung ein auf eine Nabe (1) aufgesetztes und daran befestigtes Lenkrad (2) mit integrierter Aufprall schutzvorrichtung (3). Die von der Nabe (1) ausgehenden, nach außen gerichte ten Speichen (4) münden in einen Lenkradkranz (5). Die Aufprallschutzvor richtung (3) besteht im wesentlichen aus einem sich bei einer bestimmten Fahrzeugverzögerung selbsttätig aufblasenden Gaskissen, welches mit einem Gasgenerator gekoppelt ist, der einen gaserzeugenden, bei einer bestimmten Fahrzeugverzögerung zündenden Brennsatz enthält. Fig. 1 shows a schematic representation of a on a hub ( 1 ) and attached to it steering wheel ( 2 ) with integrated impact protection device ( 3 ). The outgoing from the hub ( 1 ), directed outward th spokes ( 4 ) open into a steering wheel rim ( 5 ). The Aufprallschutzvor direction ( 3 ) consists essentially of a self-inflating gas cushion at a certain vehicle deceleration, which is coupled to a gas generator that contains a gas-generating, igniting at a certain vehicle deceleration fuel set.
Sämtliche vorgenannten, im Detail nicht näher dargestellten Funktionselemente der Aufprallschutzvorrichtung (3) sind zweckmäßigerweise zu einer Baueinheit zusammengefaßt und in einem entsprechenden Gehäuse (6) untergebracht. Dieses ist vorzugsweise innerhalb des Lenkradkranzes (5) und dabei ebenfalls in etwa zentrisch zur Lenksäulen-Längsachse (7) der Kraftfahrzeuglenkung angeord net. All of the aforementioned functional elements of the impact protection device ( 3 ), which are not shown in detail, are expediently combined to form a structural unit and housed in a corresponding housing ( 6 ). This is preferably within the steering wheel rim ( 5 ) and also approximately centrally to the steering column longitudinal axis ( 7 ) of the motor vehicle steering net angeord.
Das Gehäuse (6) der Aufprallschutzvorrichtung (3) wird von den Speichen (4) des Lenkrades (2) an vier, vorzugsweise symmetrisch zu den Lenkradmitten linien (8, 9) angeordneten Lagerstellen (10) gedämpft schwimmend gehalten. Eine Ausführungsform einer solchen Lagerstelle (10) ist in den Fig. 2 und 3 näher dargestellt. Weitere, ebenfalls symmetrisch angeordnete Lager stellen (13) dienen dem Zweck, einen Gewichtsausgleich für die Aufprall schutzvorrichtung (3) herbeizuführen.The housing ( 6 ) of the impact protection device ( 3 ) is held by the spokes ( 4 ) of the steering wheel ( 2 ) at four, preferably symmetrically to the steering wheel center lines ( 8 , 9 ) arranged bearing points ( 10 ) floating floating. An embodiment of such a bearing point ( 10 ) is shown in more detail in FIGS. 2 and 3. Other, also symmetrically arranged bearings ( 13 ) serve the purpose of balancing the impact protection device ( 3 ).
Zu beiden Seiten des Gehäuses (6) ist an dieses ein in etwa t-förmig ausgestal teter Haltebügel (14) angesetzt und daran beispielsweise mittels Befestigungs schrauben (15) befestigt. Seine jeweils nach oben und unten auskragenden Arme (16) weisen im Bereich ihrer Enden eine Bohrung (17) auf, in die eine, mit beidseitigen flanschähnlichen Anlageflächen (12, 18) versehene Lagerbuchse (19) eingesetzt ist. Sie besteht dabei vorzugsweise aus einem Werkstoff, der unter anderem auch geräuschdämpfende Eigenschaften besitzt.On both sides of the housing ( 6 ) an approximately t-shaped bracket ( 14 ) is attached to this and attached to it, for example by means of fastening screws ( 15 ). Its arms ( 16 ), which project upwards and downwards, have a bore ( 17 ) in the area of their ends, into which a bearing bush ( 19 ) with flange-like contact surfaces ( 12 , 18 ) is inserted. It preferably consists of a material which, among other things, also has noise-damping properties.
Durch die Lagerbuchse (19) hindurch ragt der Schaft einer Halteschraube (20), deren unteres Ende (22) mit einem Gewinde versehen ist und so mit einem damit korrespondierenden, an der Speiche (4) vorgesehenen Aufnahmegewinde zusammenwirkt. Die Unterseite des Schraubenkopfes (23) kommt dabei mit einer der bereits vorbeschriebenen Anlageflächen (18) der Lagerbuchse (19) in Kontakt und legt sich an diese an. Diese Endstellung wird durch eine Druck feder (24) bestimmt, die sich an der gegenüberliegenden Anlagefläche (12) sowie an einer geeignet gestalteten weiteren Anlagefläche (25) an der Speiche (4) abstützt.The shaft of a retaining screw ( 20 ) projects through the bearing bush ( 19 ), the lower end ( 22 ) of which is provided with a thread and thus interacts with a corresponding receiving thread provided on the spoke ( 4 ). The underside of the screw head ( 23 ) comes into contact with one of the abovementioned contact surfaces ( 18 ) of the bearing bush ( 19 ) and lies against it. This end position is determined by a compression spring ( 24 ) which is supported on the opposite contact surface ( 12 ) and on a suitably designed further contact surface ( 25 ) on the spoke ( 4 ).
Zwischen dem Innenquerschnitt D 1 der Lagerbuchse (19) und dem Durchmesser D 2 des Schaftes der Halteschraube (20) besteht eine Differenz von vorzugs weise 4-6 mm.Between the inner cross section D 1 of the bearing bush ( 19 ) and the diameter D 2 of the shaft of the retaining screw ( 20 ), there is a difference of preferably 4-6 mm.
Durch entsprechende Bemessung der Druckfeder (24) in Kombination mit aufein ander abgestimmten Haft- bzw. Gleitreibungseigenschaften zwischen der Anlage fläche (18) der Lagerbuchse (19) und der Unterseite des Schraubenkopfes (23) kann eine bezüglich der Vertikalen schwimmende Lagerung mit gleichzeitiger Dämpfung erzielt werden. Die exakte Auslegung von Federsteifigkeit und Dämpfungs eigenschaften muß fahrzeugspezifischen Berechnungen und Versuchen vorbehalten bleiben, denen eine Reihe unterschiedlicher Parameter zugrundezulegen sind. By appropriate dimensioning of the compression spring ( 24 ) in combination with mutually matched static or sliding friction properties between the contact surface ( 18 ) of the bearing bush ( 19 ) and the underside of the screw head ( 23 ), a floating bearing with respect to the vertical can be achieved with simultaneous damping will. The exact design of spring stiffness and damping properties must be reserved for vehicle-specific calculations and tests, which are based on a number of different parameters.
Dabei ist eine entsprechende Haft- bzw. Gleitreibungszahl der einen Anlagefläche (18) der Lagerbuchse (19) und der Unterseite des Schraubenkopfes (23) sowie zwischen der weiteren Anlagefläche (12) der Lager buchse (19) und der Druckfeder (24) maßgebend. Bei der Bemessung von oberer und unterer Druckfeder (24) ist außerdem das durch das Gehäuse (6) der Auf prallschutzvorrichtung (3) auf den Haltebügel (14) ausgeübte Kippmoment zu berücksichtigen.A corresponding static or sliding friction coefficient of one contact surface ( 18 ) of the bearing bush ( 19 ) and the underside of the screw head ( 23 ) and between the further contact surface ( 12 ) of the bearing bush ( 19 ) and the compression spring ( 24 ) is decisive. When dimensioning the upper and lower compression spring ( 24 ), the tilting moment exerted by the housing ( 6 ) of the impact protection device ( 3 ) on the bracket ( 14 ) must also be taken into account.
Zur Bildung der Lagerstelle (10) sind an die Speichen (4) entsprechende Lagerstege (11) angeformt, die jeweils der Aufnahme der Halteschraube (20) sowie als Anlagefläche (25) für die Druckfeder (24) dienen.To form the bearing point ( 10 ), corresponding bearing webs ( 11 ) are formed on the spokes ( 4 ), which each serve to hold the retaining screw ( 20 ) and as a contact surface ( 25 ) for the compression spring ( 24 ).
Um die in Fig. 2 dargestellte mittige Positionierung der Halteschraube (20) innerhalb der Lagerbuchse (19) im Ruhezustand stets zu gewährleisten, sind Maßnahmen erforderlich, um das Eigengewicht der Aufprallschutzvorrichtung (3) zu kompensieren.In order to always ensure the central positioning of the retaining screw ( 20 ) within the bearing bush ( 19 ) shown in FIG. 2 in the idle state, measures are necessary to compensate for the weight of the impact protection device ( 3 ).
Hierzu dient die bereits eingangs erwähnte Lagerstelle (13), welche jeweils symmetrisch zur Lenkradmittenlinie (9) im linken und rechten äußeren Bereich der Aufprallschutzvorrichtung (3) angreift. Sie besteht aus einer entsprechend dimensionierten Zugfeder (26), welche mit ihrem jeweiligen oberen und unteren Ende in einen, an einer Speiche (4) bzw. an dem Haltebügel (14) angeformten Haken (27, 28) eingehängt ist. Damit soll im wesentlichen in der Gerade ausstellung des Lenkrades (2) das Eigengewicht der Aufprallschutzvorrichtung (3) kompensiert werden, so daß diese immer wieder in ihre mittige Ausgangs position zurückkehren kann.The bearing point ( 13 ) already mentioned at the beginning serves this purpose, which acts symmetrically to the center line of the steering wheel ( 9 ) in the left and right outer region of the impact protection device ( 3 ). It consists of a correspondingly dimensioned tension spring ( 26 ) which is suspended with its respective upper and lower end in a hook ( 27 , 28 ) formed on a spoke ( 4 ) or on the retaining bracket ( 14 ). This should essentially compensate for the straight weight of the steering wheel ( 2 ), the dead weight of the impact protection device ( 3 ) so that it can always return to its central starting position.
Die sich aus den bereits erwähnten Reibungszahlen (μ r , μ) ergebende Dämpfung muß so gering sein, daß das Gehäuse (6) bereits bei niedrigen Beschleunigungs amplituden am Lenkrad "schwimmt". Zusammen mit der Federkraft der Zugfeder (26) ergibt sich rechnerisch eine Resonanzfrequenz, die praktisch jedoch so stark gedämpft ist, daß sie zu keiner Überhöhung führt. Dies bedeutet, die Federn (24, 26) sind bezüglich ihrer Federsteifigkeit so weich zu halten, daß beim Überfahren von Unebenheiten usw. gerade noch kein Abheben an den Gleitflächen erfolgt (Klappergeräusche), andererseits darf die "Losbrechkraft" in Gleitrichtung nicht zu hoch werden. The damping resulting from the already mentioned coefficients of friction ( μ r , μ ) must be so low that the housing ( 6 ) "floats" on the steering wheel even at low acceleration amplitudes. Together with the spring force of the tension spring ( 26 ), a resonance frequency arises which is, however, practically so damped that it does not lead to any excessive increase. This means that the springs ( 24 , 26 ) must be kept so soft with regard to their spring stiffness that when driving over bumps etc. there is just no lifting on the sliding surfaces (rattling noises), on the other hand the "breakaway force" in the sliding direction must not be too high .
Die Fig. 4 zeigt in einem Diagramm das Vibrationsverhalten verschieden ausgestalteter Kraftfahrzeuglenkungen. In Abhängigkeit von der Fahrtgeschwindig keit (V) ist dabei in der Ordinate die Beschleunigung am Lenkradkranz (Schwing beschleunigung b) aufgetragen. Es ist daraus eindeutig entnehmbar, daß eine gedämpft schwimmend gelagerte Aufprallschutzvorrichtung (auch Airbag genannt) selbst noch ein günstigeres Vibrationsverhalten zeigt, als beispielsweise eine serienmäßige Kraftfahrzeuglenkung ohne Aufprallschutzvorrichtung. Die eindeutig ungünstigsten Werte hinsichtlich des Vibrationsverhaltens sind bei einer Kraftfahrzeuglenkung zu verzeichnen, bei der die Aufprallschutz vorrichtung starr mit dem Lenkrad verbunden ist. FIG. 4 is a diagram showing the vibration behavior different Enriched motor vehicle steering systems. Depending on the driving speed ( V ), the acceleration on the steering wheel rim (vibration acceleration b ) is plotted on the ordinate. It can be clearly seen from this that a damped floating impact protection device (also called an airbag) itself exhibits a more favorable vibration behavior than, for example, a standard motor vehicle steering system without an impact protection device. The clearly most unfavorable values with regard to the vibration behavior can be recorded in a motor vehicle steering system in which the impact protection device is rigidly connected to the steering wheel.
Fig. 5 zeigt in einem weiteren Diagramm die prinzipielle Wirkungsweise einer solchen schwimmenden Lagerung. Auch dort ist wieder die Fahrtgeschwindig keit (V) in Abhängigkeit von der Beschleunigung am Lenkradkranz (Schwingbe schleunigung b) dargestellt. Mit Hilfe der Schersteifigkeit der Lagerstelle (10) wird die erste Eigenfrequenz des Systems Lenkrad/Airbag so niedrig abgestimmt, daß sie in einen Geschwindigkeitsbereich zu liegen kommt, in dem noch keine hohen Anregungsamplituden auftreten. Außerdem ist die Dämpfung der Lagerung so groß, daß sowohl die erste als auch die zweite Resonanz zu keinen bedeutenden Amplitudenüberhöhungen führen. Fig. 5 shows a further diagram of the principle of operation of such a floating bearing. Again, the driving speed ( V ) is shown as a function of the acceleration on the steering wheel rim (vibration acceleration b ). With the help of the shear stiffness of the bearing ( 10 ), the first natural frequency of the steering wheel / airbag system is adjusted so low that it comes to lie in a speed range in which no high excitation amplitudes occur. In addition, the damping of the bearing is so great that both the first and the second resonance do not lead to any significant amplitude increases.
Die Erfindung ist nicht auf die gezeigte Ausführungsform der gedämpft schwimmen den Lagerung beschränkt, da hierfür verschiedene Alternativen denkbar sind. So ist es beispielsweise nicht erforderlich, die Funktionen Steifigkeit, Dämpfung und Wegbegrenzung für die Bewegungen der Aufprallschutzvorrichtung allesamt in die Lagerstelle (10) zu integrieren. Grundsätzlich wäre auch denkbar und zu berücksichtigen, daß nicht alle Funktionselemente der Aufprall schutzvorrichtung in dem Gehäuse (6) untergebracht sind.The invention is not limited to the illustrated embodiment of the damped swimming storage, since various alternatives are conceivable for this. For example, it is not necessary to integrate the functions stiffness, damping and travel limitation for the movements of the impact protection device all into the bearing point ( 10 ). In principle, it would also be conceivable and to be taken into account that not all functional elements of the impact protection device are accommodated in the housing ( 6 ).
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