DE60009208T2

DE60009208T2 - Lenksäule mit verstellbarem Deformationswiderstand

Info

Publication number: DE60009208T2
Application number: DE60009208T
Authority: DE
Inventors: Gregory Thomas White Lake Hedderly; Craig Hammann Ann Arbor Stephan; Edward Joseph Canton Abramoski; Joseph Paul Troy Tekelly; Leonard Murray Farmington Hills Brown
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 1999-06-16
Filing date: 2000-06-05
Publication date: 2004-08-12
Anticipated expiration: 2020-06-06
Also published as: EP1060974A1; DE60009208D1; US6152488A; EP1060974B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren die Energieabfuhr in einer Fahrzeug-Lenksäule zu optimieren, indem in einem Aufprall hoher Energie ein variabler Dämpfer basierend auf den abgetasteten Insassenbedingungen angepaßt wird.
Lenksäulen von Personenwagen sind konstruiert, um während einer Kollision einzuklappen, um die Energie eines das Lenkrad angreifenden Fahrzeuginsassen abzuführen. Typischerweise werden Lenksäulen mit verformbaren Unfallmerkmalen für eine derartige Energieableitung bereitgestellt. Die optimale Kraft, mit welcher die Säule einem Einklappen widerstehen sollte, hängt jedoch davon ab ob der Fahrer angegurtet oder nicht angegurtet ist, ebenso wie von anderen Insassenfaktoren, und kann bedeutend variieren.
Es ist daher wünschenswert einen Lenksäulenaufbau mit anpaßbarer Dämpfung bereitzustellen; basierend auf diesen verschiedenen Faktoren, wie etwa Insassengewicht, Unfallheftigkeit usw., um die Energieabfuhr-Charakteristika einer einklappbaren Lenksäule in einem Fahrzeug zu optimieren.
Versuche der bisherigen Technik, ein einklappbares Lenksäulensystem mit variabler Energieableitungs- oder -absorptionscharakteristika bereitzustellen, schließen ein:
DE 19749970 (Petri AG), welches die im Oberbegriff von Anspruch 1 erwähnten Merkmale umfaßt, und in welchem axiale Bewegung der Lenksäule hydraulisch gedämpft wird, indem der Fluidstrom zwischen zwei Kammern – abhängig von Insassengewicht und relativer Geschwindigkeit – in variierendem Ausmaß geregelt wird;
„Computerüberwachte, Energie absorbierende Lenksäule", Forschungsoffenlegung, Industrial Opportunities Ltd, Havant, GB, in welcher ein Energieabsorptions-Mechanismus abhängig von Fahrermasse und Fahrzeuggeschwindigkeit geregelt wird;
US 4,886,295 (Browne), in welchem hydraulische Dämpfung einer einklappbaren Lenksäule verrichtet wird, indem ein umgebendes Beutelteil der Säule abhängig von Fahrergewicht und der Fahrzeug-Annäherungsgeschwindigkeit relativ zu einem anderen Fahrzeug oder einem Hindernis auf einen Druck aufgeblasen wird; und
DE 24 17 543 (Porsche AG), in welchem Lenksäulendämpfung geregelt wird, indem die Durchflußrate eines Fluids zwischen zwei Kammern in Reaktion auf einen Kollisionssensor geregelt wird.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren bereit in einem Aufprall hoher Energie die Energieableitung in einer Fahrzeug-Lenksäule zu optimieren, das umfaßt: Bereitstellen eines elektronisch variablen Energieableit-Systems an der Fahrzeug-Lenksäule; Abtasten mindestens einer Insassenbedingung; und Anpassen des variablen Energieableit-Systems auf Grundlage dieser abgetasteten Insassenbedingung, um die Energieableitung zu optimieren; gekennzeichnet dadurch, daß: der Schritt, das variable Energieableit-System anzupassen, es umfaßt das variable Energieableit-System außer Betrieb zu setzen, wenn abgetastet wird, daß ein Sicherheitsgurt angelegt ist; wobei das Verfahren es weiterhin umfaßt: Laden eines Kondensators auf eine hohe Spannung, ' wenn die Fahrzeugzündung angeschaltet wird, um die elektronische Variation des variablen Energieableitungs-Systems zu befähigen, wenn die Stromversorgung ausfällt. In dieser bevorzugten Form stellt die Erfindung ein Verfahren bereit in einem Aufprall mit hoher Energie die Energieableitung in einer Fahrzeug-Lenksäule zu optimieren, das einschließt: (a) Bereitstellen eines variablen Energieableit-Systems an der Fahrzeug-Lenksäule; (b) Abtasten mindestens einer Insassenbedingung; und (c) Anpasen des variablen Energieableit-Systems auf Grundlage dieser abgetasteten Insassenbedingung, um die Energieableitung zu optimieren.
Das variable Energieableit-System kann einen hydraulischen Dämpfer mit einer elektronisch variierbaren Öffnung umfassen, oder einen hydraulischen Dämpfer mit einem Dämpfungsfluid, das eine effektive Viskosität besitzt, welche durch Variation eines das Dämpfungsfluid schneidenden Magnetfeldes variabel ist. Außerdem können die abgetasteten Insassenbedingungen die Unfallheftigkeit einschließen, ob ein Fahrzeug-Sicherheitsgurt angelegt ist, das Insassengewicht, usw.
Die Anpassung des variablen Energieableit-Systems kann es umfassen den hydraulischen Dämpfer außer Betrieb zu setzen oder die Dämpfungsrate des hydraulischen Dämpfers-basierend auf den abgetasteten Insassenbedingungendynamisch anzupassen.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird ein Kondensator auf eine hohe Spannung aufgeladen; wenn die Fahrzeugzündung angeschaltet ist, um die elektronische Variation des variablen Energieableit-Systems zu befähigen, für den Fall daß die Stromversorgung in dem Fahrzeug ausfällt.
Die Erfindung stellt eine Vorkehrung bereit um eine variable Einklappkraft eines Lenksäulen-Aufbaus, basierend auf verschiedenen abgetasteten Insassenbedingungen, gezielt anzupassen.
Die vorliegende Erfindung wird nun, anhand eines Beispiels, unter Bezug auf die beigefügte Zeichnung weiter beschrieben werden, welche eine schematische Ansicht eines Dämpfers mit variabler Rate zeigt, der an einer einklappbaren Lenksäule angebracht ist und ein Regelsystem einschließt, um den Dämpfer mit variabler Rate anzupassen.
Unter Bezug auf die Abbildung ist ein Lenkrad 10 an einem einklappbaren Lenksäulen-Aufbau 12 angebracht. Der einklappbare Lenksäulen-Aufbau 12 ist mit einem variablen Energieableit-System 14 und einem Regelsystem 16 ausgestattet; um das variable Energieableit-System 14 anzupassen, wie es in einem Aufprall hoher Energie gewünscht ist.
Bevorzugt schließt das variable Energieableit-System 14 erste und zweite hydraulische Dämpfermechanismen 18, 20 darin integriert ein, oder aber ergänzend daran angebracht. Die Dämpfungsrate der hydraulischen Dämpfermechanismen 18, 20 kann durch einen elektronischen Regler 22 mittels irgendeiner von mehreren Vorkehrungen angepaßt werden. Die Größe der Dämpfungsöffnung kann entweder mechanisch oder aber-für höhere Geschwindigkeit-piezoelektrisch verändert werden. Zum Beispiel kann ein piezoelektrisch variabler Hydraulikdämpfer von Active Control eXperts, Inc. aus Troy, Michigan, erhalten werden, vertrieben unter dem Namen „K2 BIKE SmartShock". Alternativ kann eine feste Öffnung mit einem elektrorheologischen oder magnetorheologischen Fluid als das Dämpfungsfluid verwendet werden. Elektrorheologische Materialien sind Suspensionen polarisierbarer Teilchen in Mikrometergröße, während magnetorheologische Fluide ähnliche Suspensionen von eisenbasierenden Teilchen sind: Die effektive Viskosität dieser Fluide ist veränderbar, und sie zeigen große rheologische Änderungen, wenn sie starken elektrischen Feldern ausgesetzt werden. Die effektive Viskosität des Fluids ist durch . Anlegen eines elektrischen oder magnetischen Feldes in der Nähe der Öffnung, veränderbar. Das elektrische oder magnetische Feld kann durch eine Spannungsversorgung oder einen Elektromagneten geschaffen werden.
Wie in der Abbildung veranschaulicht sind dem elektronischen Regler 22 mindestens drei Informationsstücke von Sensoren her verfügbar, welche in dem Fahrzeug aus anderen Gründen vorhanden sein können. Abhängig von der Implementierung kann jegliche Kombination dieser verwendet werden, ebenso wie die Eingabe von einer Vielzahl von universellen Sensoren. Der angegurtete Zustand des Fahrers wird von einem Sicherheitsgurt-Sensor erhalten. Die Fahrermasse wird durch einen Gewichtssensor in dem Sitz bestimmt, und die Heftigkeit des Zusammenklappens wird von einem Airbag-Beschleunigungsmesser-Modul bestimmt, womöglich durch die Tachometerablesung zu Beginn des Aufpralls ergänzt. Ein Beispiel eines universellen Sensors ist ein Sitzschienen-Stellungssensor, der bezüglich des Fahrers und seines Verhältnisses zu dem Lenkrad weitere Informationen liefern kann.
Aus diesen Daten bestimmt der Regler 22, was die optimale Dämpfung sein sollte. Es können verschiedene Grade der Raffinesse verwendet werden. Der einfachste ist nicht mehr als „Ein" oder „Aus", darauf basierend ob der Fahrer angegurtet ist oder nicht. Wenn angegurtet wird die einklappbare Lenksäule alleine, ohne ergänzende Dämpfung, benutzt. Wenn nicht angegurtet, so wird die Einklappkraft der Lenksäule durch den Dämpfungsmechanismus 14 ergänzt. In diesem Fall braucht der Dämpfungsmechanismus 14 nicht regelbar zu sein, sondern er könnte einfach in einem in Betrieb oder außer Betrieb gesetzten Zustand gehalten werden; entweder durch eine mechanische Klinke oder ein Umgehungsventil in dem Dämpfer, dessen Stellung auf Grundlage des Signals von dem Sicherheitsgurt-Sensor bestimmt wird: Da diese Stellung vor dem Unfall bestimmt würde, wäre eine Hochgeschwindigkeitsschaltung nicht notwendig. Tatsächlich wäre eine hydraulische Dämpfung selbst nicht notwendig. Alternativ könnte ein ergänzendes, zerquetschbares Bauelement benutzt werden. Um die Verwendung mechanischer Klinken zu vermeiden, kann es jedoch noch immer vorzuziehen sein einen elektrisch anpaßbaren Dämpfer zu verwenden. In diesem Fall könnte der Regler 22 eine sehr einfache Schaltung sein.
Einen Schritt aufwärts in der Raffinesse von diesem Ansatz ist es, die Fahrermasse und/oder die Unfallheftigkeit zu verwenden, um mittlere Niveaus der Dämpfung zu bestimmen. Ein noch raffinierterer Ansatz ändert die Dämpfung während des Unfalls dynamisch gemäß eines zuvor definierten Protokolls, das auf der Grundlage biomechanischer Überlegungen bestimmt ist. Ein alternatives Verfahren zur Bestimmung der Dämpfung-eines, das sich nicht auf eine Messung der Fahrermasse verläßt-ist es, einen Beschleunigungsmesser an einem speziellen Teil des Fahrzeugswie etwa dem Lenkrad, oder dem einklappbaren Teil der Lenksäule-zu montieren; oder, alternativ, Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung von einem Sensor abzuleiten, der die Kolbenbewegung in dem Dämpfer mißt. Der Regler 22 paßt dann die Dämpfung der Dämpfer 18, 20 wie erforderlich an, um die Beschleunigung (welche mit der, Beschleunigung des Fahrers in Zusammenhang steht, wenn er oder sie sich durch . den Airbag in Berührung mit dem Lenkrad befindet) auf jene zu begrenzen, welche in einem vorherbestimmten Insassen-Verzögerungswert resultiert.
In den letzteren beiden Fällen muß die Dämpfungsrate sehr schnell angepaßt werden. Im Fall elektrorheologischer oder magnetorheologischer Fluide ist die Änderungsrate der effektiven Viskosität sehr schnell, und ist hauptsächlich durch die Aufbauzeit des Feldes beschränkt. Das Feld schnell zu verändern erfordert eine hohe Leistung, aber nicht viel Energie, weil die Kollisionszeit kurz ist. Diese Leistung wird gemäß der Erfindung durch Aufladen eines Kondensators auf eine hohe Spannung bereitgestellt, wenn die Zündung eingeschaltet wird. Die Energie in dem Kondensator ist dann verfügbar um das elektrische oder magnetische Feld zu schaffen, oder um eine piezoelektrische Öffnung zu aktivieren. Mit einem zusätzlichen Kondensator zum Betreiben der Elektronik würde dies einen ausfallsicheren Betrieb sicherstellen, selbst wenn die Batterieversorgung versagt.
Ein anderes durch das System bereitgestelltes Merkmal ist die Möglichkeit die Lärm- und Vibrationscharakteristika unter normalen Fahrbedingungen zu verbessern, indem man die Dämpfer verwendet um axiale und radiale Lenksäulen-Vibrationen zu dämpfen. Der letztere Modus kann gedämpft werden, indem man die Dämpfer bezüglich der Lenksäule um ein paar Grad verkantet.
In der bisherigen Besprechung wurden die regelbaren Dämpfer verwendet um die Quetschbeständigkeit der Lenksäule selbst zu ergänzen. Normalerweise wäre die Lenksäule gemäß dem Stand der Technik wohlbekannten Verfahren konstruiert, um eine mechanische Quetschkraft bereitzustellen, die in diesem Fall das minimal benötigte wäre (d. h. Unfall mit niedriger Geschwindigkeit, angegurteter Fahrer). Die regelbare Dämpfung würde dann eine Extra-Dämpfungskraft bereitstellen, wenn für einen nicht angegurteten Fahrer oder einen heftigen Unfall benötigt. Ein zu bemerkender, wichtiger Unterschied zwischen mechanischem Quetschen und hydraulischer Dämpfung ist es, daß erstere Kraft mehr oder weniger unabhängig von der Unfallgeschwindigkeit ist, während letztere ansteigt, wenn die Unfallgeschwindigkeit steigt. Somit stellt die hydraulische Dämpfung, selbst im einfachsten Regelmodus, eine „automatische" Anpassung auf die Unfallgeschwindigkeit bereit: je heftiger der Unfall ist, desto größer ist die Quetschbeständigkeit. Selbstverständlich kann jedes Dämpfungsprofil innerhalb des Bereichs der Dämpfer ausgewählt werden, wenn die Dämpfung elektronisch angepaßt ist.
Alternativ könnte die mechanische Quetschbeständigkeit vollständig beseitigt werden, und die hydraulischen Dämpfer dazu verwendet werden die gesamte Quetschbeständigkeit bereitzustellen. In diesem Fall würde die Lenksäule normalerweise durch einen Scherstift oder eine andere Vorrichtung in der vollständig ausgefahrenen Stellung gehalten werden, welche die Dampfer unter normaler Verwendung daran hindern würde zusammenzufallen. Die Dämpfung würde auf einen nominellen Wert gesetzt werden. Für einen Dämpfer mit magnetorheologischem Fluid könnte das benötigte magnetische Feld durch einen Permanentmagneten bereitgestellt werden, wobei der Elektromagnet das nominelle Feld wie benötigt steigert oder senkt. Dies weist dahingehend einen Versagenssicherungs-Vorteil auf, daß sich das Zusammenklappen der Lenksäule auf eine nominelle Rate zurückstellen würde, wenn die gesamte elektrische Versorgung versagt. Es weist einen weiteren Vorteil dahingehend auf, daß das magnetische Feld nur von einem nominellen Wert her verschoben muß, anstatt von einem Nullwert erzeugt zu werden; so daß die benötigte Zeit und Energie, um das richtige Feld zu schaffen, minimiert wird.
Ein Vorteil all den Widerstand gegen das Zusammenfallen in den Dämpfern , zusammenzufassen, wird aus der Tatsache abgeleitet, daß die Lenksäule in einem Unfall gewöhnlich nicht nur nach vorne gedrückt wird, sondern auch nach oben. Für maximale Effizienz könnten die Dämpfer entlang der Kraftrichtung des Fahrers orientiert werden, statt entlang der Achse der Lenksäule.

Claims

Ein Verfahren, um in einem Aufprall hoher Energie die Energieableitung in einer Fahrzeug-Lenksäule zu optimieren, das umfaßt: Bereitstellen eines elektronisch variablen Energieableit-Systems (14) an der Fahrzeug-Lenksäule (12); Abtasten mindestens einer Insassenbedingung; und Anpassen (22) des variablen Energieableit-Systems (14) auf Grundlage dieser abgetasteten Insassenbedingung, um die Energieableitung zu optimieren; gekennzeichnet dadurch, daß das Verfahren weiterhin umfaßt: Laden eines Kondensators auf eine hohe Spannung, wenn die Fahrzeugzündung angeschaltet wird, um die elektronische Variation des variablen Energieableitungs-Systems zu befähigen, wenn die Stromversorgung ausfällt.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 1, in dem dieser Schritt der Bereitstellung eines variablen Energieableitungs-Systems das Bereitstellen eines hydraulischen Dämpf (18, 20) mit einer elektronisch variablen Öffnung umfaßt.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 2, in dem diese elektronisch variable Öffnung ein piezoelektrisch geregeltes Ventil umfaßt.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 1, in dem dieser Schritt der Bereitstellung eines variablen Energieableitungs-Systems es umfaßt einen hydraulischen Dämpfer (18, 20) mit einem Dämpfungsfluid bereitzustellen, das eine effektive Viskosität aufweist welche variabel ist, indem man ein das Dämpfungsfluid schneidendes magnetisches Feld variiert.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 1, in dem dieser Schritt der Bereitstellung eines variablen Energieableitungs-Systems, das Bereitstellen eines hydraulischen Dämpfers (18, 20) mit einem Dämpfungsfluid umfaßt, das eine effektive Viskosität aufweist welche variabel ist, indem man ein das Dämpfungsfluid schneidendes elektrisches Feld variiert.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 1, in dem dieser Schritt der Abtastung mindestens einer Insassenbedingung es umfaßt a) die Fahrzeugverzögerung abzutasten, b) das Gewicht eines Sitzinsassen, c) die Fahrzeuggeschwindigkeit oder d) ob ein Fahrzeug-Sicherheitsgurt angelegt ist.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 1, in dem dieses variable Energieableitungs-System (14) einen hydraulischen. Dämpfer (18, 20) umfaßt, und der Schritt des Abtastens mindestens einer Insassenbedingung es umfaßt: das Gewicht des Fahrzeuginsassen abzutasten; die Verzögerung eines speziellen Teils des Lenksäulen-Aufbaus (12) abzutasten; eine geschätzte Fahrerverzögerung zu bestimmen, basierend auf dem abgetasteten Insassengewicht und der abgetateten Fahrzeugverzögerung; und Variieren der Dämpfungsrate des Dämpfers (18, 20), basierend auf dieser geschätzten Fahrerverzögerung.