Lenksäulenanordnung für Kraf fahrzeuge mit Energieabsorptionselement
Die Erfindung betrifft eine Lenksäulenanordnung für Kraftfahrzeuge nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Bei Lenksäulen für Kraftfahrzeuge wird aus Sicherheitsgründen gefordert, dass die Lenksäule mit einem energieabsorbierenden Element ausgerüstet ist, welches bei einem Frontalaufprall die auf den Körper des Fahrers wirkende Kräfte dämpft. Es wird oftmals gefordert, dass die Lenksäule bei einem Frontalaufprall mit einer konstanten Haltekraft von 4 kN bis 8 kN über einen Weg von 70 bis 90 mm zurückfährt und hierbei Aufprallenergie absorbiert wird. Herkömmliche Crashsysteme erfüllen diese Anforderung beispielsweise durch den Einbau von Biegelaschen, Stahldrähten, Maschengitter etc. Bei den bekannten Anordnungen wird durch den zusätzlich geforderten Crashweg die Baugrösse erhöht. Wird das Energieabsorptionselement bzw. das Crashelement in der Halterung der Lenksäule angeordnet bzw. die Halterung als verschiebbare Konsole ausgeführt, so muss beim Crash bzw. beim Aufprall die gesamte Lenksäule nach hinten fahren. Dies benötigt zusätzlichen Bewegungsspielraum und oft ist der dazu notwendige Raum verbaut, so dass die Funktionsweise nicht immer gewährleistet werden kann. Viele Energieabsorbierungselemente haben ausser- dem eine relativ grosse Querkraftempfindlichkeit, was besondere Massnahmen erfordert und die Zuverlässigkeit beeinträchtigt .
Aus der EP 0 477 509 ist eine verstellbare Sicherheitslenksäule für Kraftfahrzeuge bekannt geworden, die ein teleskopisch zusammenschiebbare, in Mantelrohrteilen gelagerte Lenkspindel aufweist, wobei diese an dem vom Lenkrad abgekehrten Ende mit einem Deformationselement als Energieabsorber verbunden ist. Der metallische Energieabsorber ist rohrförmig, insbesondere wellrohrförmig ausgebildet und wird bei einem
Crash zusammengedrückt bzw. gestaucht. Der Nachteil der Anordnung besteht darin, dass die Anordnung in ihrer Längsachse relativ viel Einbauraum benötigt und aufwendig in der Realisierung ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden. Insbesondere ist es Aufgabe der Erfindung eine kompakte und wirtschaftlich herstellbare Lenksäulenanordnung zu schaffen, die den Sicherheitserfordernissen bei einem Crash entspricht. Neben der minimierten Baugrösse soll das Crashelement ein geringes Gewicht aufnehmen, und das Crashverhalten des Deformationselementes soll unabhängig von am Lenkrad angreifenden Querkräften wirken. Der Einfluss von umliegenden Bauteilen auf die Crashfunktion der Lenksäule soll vermieden werden. Beim axialen Crash soll das Mantelrohr und die Spindel in sich kürzer werden, so dass die Lenksäule nicht zurückfährt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhaft Ausführungsformen beinhalten die abhängigen Patentansprüche. Damit das Mantelrohr beim Crash in sich kollabieren kann bzw. sich verkürzen kann, wird dieses in zwei ineinander verschiebliche Teile unterteilt in das erste Mantelrohrteil, dem Crashrohr, und das zweite äussere Mantelrohrteil, wobei die Lenkspindel im Crashrohr gelagert ist. Das Crashelement, ein rohrförmiger Kunststoffkörper, umschliesst in einer ersten Ausführungsform das aus dem Mantelrohr herausragende Crashrohr und fixiert somit die Lage des Crashrohrs mit der darin gelagerten Spindel in der axialen Betriebsposition in dem das Crashelement am zweiten Mantelrohrteil auf Anschlag anliegt.
Eine weitere Ausführungsform besteht darin, dass das Crashe- lement einerseits den herausragenden Teil des Crashrohres um-
schliesst und einen Teil des äusseren Mantelrohres, womit die Quersteifigkeit der Anordnung zusätzlich erhöht wird.
Das Energieabsorptionselement wird bevorzugt aus einem Faserverbundkunststoff hergestellt, wobei beim Herstellungsverfahren die Faser vorzugsweise direkt auf das Crashrohr, welches im Mantelrohr verschiebbar gelagert ist, gewickelt wird und gleichzeitig in Kunstharz eingebettet wird. Dies ergibt eine gute Verklebung und somit Haftung des Absorptionselementes mit den Rohren. Bei der zweiten Ausführung wird der Faserwerkstoff mit dem Kunstharz über das herausragende Teil des Crashrohres hinaus auf das zweite Mantelrohrteil gewickelt, so dass das Absorptionselement über das Crashrohr und das Mantelrohr zu liegen kommt. Als Faserwerkstoff eignet sich besonders Kohlenstoff. Durch die erfindungsgemässe Ausführung des Crashelementes wird beim Crashfall bzw. beim Ineinander- fahren der beiden Rohrteile eine konstante Haltekraft während des Zerstörungsvorganges des Crashelementes resultieren. Verschiedene Kraftniveaus und Kennlinien können beim Faserrohr und insbesondere beim Kohlefaserrohr reproduzierbar durch verschiedene Wicklungen und Dimensionierung leicht und wirtschaftlich realisiert werden. Um die Quersteifigkeit der Anordnung zusätzlich zu erhöhen, können vorzugsweise die beiden Teile über eine oder mehrere Sickenverbindungen kraftschlüssig miteinander verbunden werden. Die Verbindung ist so auszuführen, dass diese bei der entsprechend auftretenden Crashkraft nachgibt. Daraus resultiert eine hohe Quersteifigkeit im Normalbetrieb unabhängig von der Quersteifigkeit des Crashelements. Das Rohrförmige Energieabsorbtionselement kann auch einfach auf das Crashrohr aufgeschoben werden. Mit Vorteil wird das Absorptionselement am Rohr befestigt, vorzugsweise durch verkleben.
Eine weitere Verbesserung der Verbindung zwischen Crashelement und den Rohrteilen wird dadurch erreicht, dass im Kon-
taktbereich die Rohrteile aufgerauht werden. Besonders gute und reproduzierbare Haftergebnisse sind realisierbar, wenn die Kontaktbereiche in Rillenform auf dem Rohrumfang ausgeführt werden, so dass beim Wickeln des Verbundwerkstoffes die Fasern in die Rillen eingreifen. Durch diese Bauweise wird erreicht, dass bei einer vordefinierten Crashkraft die CFK (Kohlefaserkunststoffverbund) Anordnung definiert kollabiert und das Crashrohr mit einer konstanten Kraft in das Mantelrohr teleskopartig einfährt.
Die Erfindung wird nun beispielsweise mit schematischen Figuren beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 Ein Querschnitt durch die Längsachse eines Teils der Lenksäulenanordnung mit einem Energieabsorptionselement, welches am Crashrohr alleine angebracht ist
Fig. 2 Ein Querschnitt durch die Längsachse eines Teils der Lenksäulenanordnung mit einem Energieabsorptionselement, welches sowohl das Crashrohr wie ein Teil des Mantelrohrteiles umschliesst
In Figur 1 ist schematisch und im Querschnitt ein Teil einer Lenksäulenanordnung für Kraftfahrzeuge mit einem erfinderischen Energieabsorptionselement 6 dargestellt. Vorteilhafterweise wird das Absorptionselement 6 an der ersten Lenkspindelanordnung, an welcher das Lenkrad angebracht ist, angeordnet. Die Lenkspindel 3 ist als Schiebewelle ausgebildet an dessen einem Ende das Lenkrad angeordnet ist, wobei die Spindel 3 in einem Mantelrohr 1,2 über die Spindellager 4 gelagert ist. Im Crashfall muss die Spindel 3 mit dem Mantelrohr 1,2 ineinandergeschoben werden können, um über den Crashweg die Aufprallenergie zu absorbieren. Das Mantelrohr 1,2 ist deshalb in ein erstes Mantelrohrteil 1, dem Crashrohr, und in
ein zweites Mantelrohrteil 2 unterteilt, wobei die beiden
Rohrteile 1,2 koaxial und axial längsverschieblich angeordnet sind. Das erste Mantelrohr 1, das Crashrohr, ragt um die geforderte Crashweglänge aus dem zweiten Mantelrohr 2 heraus, so dass im Crashfall das erste Mantelrohr 1 sich entsprechend in das zweite Mantelrohr 2 verschiebt. Bevorzugt werden hierbei Crashwege von 70 bis 90 mm. Das erste Mantelrohr 1 ist von einem Kunststoffrohrstück 6 umhüllt, welches als Absorptionselement 6 dient und an dessem einen Ende am zweiten Mantelrohr 2 anliegt. Am andern Ende des Absorptionselementes 6 kann dieses vorteilhafterweise an einem Anschlag 8 des Crashrohres 1 anstossen, der beispielsweise als Auskragung ausgebildet ist. Im Crashfall wird das Absorptionselement β durch die Aufprallkraft FCr zusammengedrückt, wobei dieses die Energie definiert absorbiert, vorzugsweise im Bereich der gewünschten Crashkraft von 4 kN bis 8 kN. Die erfindungsgemässe Ausführung des Absorptionselementes 6 erlaubt es, die geforderten Energieabsorptionswerte präzise und reproduzierbar vorzugeben und platzsparend auf wirtschaftliche Weise herzustellen. Ausserdem werden wenig Teile benötigt, womit eine einfache Montage möglich ist. Das Absorptionselement 6 wird vorzugsweise als Faserverbundrohr ausgeführt und vorzugsweise direkt auf das erste Mantelrohrteil 1 aufgewickelt und mit einem Kunststoff beispielsweise einem Giessharz imprägniert. Für sehr kompakte und reproduzierbare Anordnungen ist insbesondere ein Kohlefaserverbund geeignet. Bevorzugterweise wird das Faserverbundrohr 6 auf dem Crashrohr 1 haftend aufgeklebt, wobei mit einer Direktaufwickeltechnik und entsprechender Kunststoffimprägnierung die Verklebung gleichzeitig erfolgt. Um die Haftung zwischen Faserverbundrohr 6 und Crashrohr 1 zu verbessern, wird das Crashrohr 1 an der Oberfläche aufgerauht, vorzugsweise aber gerillt. Eine typische Ausführungsform eines Energieabsorptionselementes 6 in Kohlenstofffaserverbundkunststoff weist eine Wandstärke im mm-Bereich
auf, beispielsweise 1 bis 2 mm bei Crashkräften im Bereich von 4 kN und einem Crashrohrdurchmesser von etwa 40 mm.
Um im Crashfall, bei auftretenden Querkräften, keine Verklemmung der beiden Rohrteile 1,2 zu erzeugen, die ein definiertes und gleichmässiges Verhalten der Energieabsorption verhindern würde, können zusätzlich zwischen den beiden Rohrteilen 1,2 Führungselemente 5, die bevorzugterweise als Kunststoffringe 5 ausgebildet sind, angeordnet werden. Diese Führungen 5 erlauben ein definiertes Gleiten der Rohrteile 1,2 in axialer Richtung bei geringen Gleitreibungskräften. Die Gleitreibungskräfte müssen so gering gehalten werden, dass sie gegenüber der geforderten Haltekraft von 4 kN bis 8 kN zur Energieabsorption gering ist.
Um die Querstabilität der beiden Mantelrohrteil 1,2 im normalen Betriebsfall gross zu halten, ist es wünschenswert, weitere Massnahmen zu treffen, um das Spiel zwischen den beiden Rohrteilen 1,2 weiter zu verringern. Dazu können zusätzliche Massnahmen getroffen werden, welche zwischen den Rohrteilen 1,2 eine kraftschlüssige Verbindung 7 erzeugen, beispielsweise wie mit Verstemmen, Verpressen oder mit Bolzen, vorzugsweise aber mit Eindrücken von Sicken. Die Verbindung muss, wie erwähnt, ebenfalls so ausgeführt werden, dass die Losbrechkraft beim Aufprall möglichst klein ist im Verhältnis zur vorerwähnten Haltekraft zur Energieabsorption. Die Mantelrohrteile 1,2 bestehen vorzugsweise aus Metallen wie Stahl oder Aluminium.
In Figur 2 ist eine weitere Ausführungsform der in Figur 1 beschriebenen Anordnung im Querschnitt dargestellt. Das Energieabsorptionselement 6 ist in diesem Beispiel nicht nur bis an das eine Ende des zweiten Mantelrohrteiles 2 herangeführt, sondern wird weitergezogen über einen Teilabschnitt der zweiten Mantelrohroberfläche. Sowohl die erste Mantelrohroberflä-
che, wie die zweite Mantelrohroberfläche können, wie bereits erwähnt, im Kontaktbereich mit dem Absorptionselement 6 aufgerauht werden, um eine bessere Haftung zu erzielen. Die in Figur 2 dargestellte Ausführungsform erhöht zusätzlich die Querstabilität der beiden ineinandergeschobenen Rohrteile im normalen Betriebsfall. Es kann in diesem Fall allenfalls sogar auf zusätzliche Massnahmen zur Erhöhung der Querstabilität, wie sie vorhergehende beschrieben worden sind, verzichtet werden.
Die erfindungsgemäss vorgeschlagene Anordnung zur Energieabsorption erfordert wenig Bauteile und ist äusserst kompakt aufzubauen und erfordert wenig Einbauraum, wobei die Funktionsweise von umliegenden Einbauteilen unabhängig ist und eine präzise und reproduzierbare und somit sichere Energieabsorption beim Crashfall möglich ist.