DE19819713A1 - Lenksäule für ein Kraftfahrzeug - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Lenksäule für ein Kraftfahrzeug mit einer in einem Mantelrohr drehbar gelagerten Lenkwelle, wobei dem Mantelrohr wenigstens ein Deformationselement zugeordnet ist, das bei Axialverschiebung des Mantelrohres unter Energieaufnahme plastisch deformierbar ist. DOLLAR A Erfindungsgemäß ist das wenigstens eine Deformationselement wenigstens einseitig am Mantelrohr festgelegt und es liegt an karosseriefest angeordneten Umlenkmitteln an, die derart axial zu dem Deformationselement positioniert sind, daß das Deformationselement bei einer Axialverschiebung des Mantelrohres mit Hilfe der Umlenkmittel deformiert wird. DOLLAR A Verwendung in Personenkraftwagen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Lenksäule für ein Kraftfahrzeug mit einer in einem Mantelrohr drehbar gelagerten Lenkwelle, wobei dem Mantelrohr wenigstens ein Deformationselement zugeordnet ist, das bei Axialverschiebung des Mantelrohres unter Energie­ aufnahme plastisch deformierbar ist.

Aus der Offenlegungsschrift DE 28 21 707 A1 ist eine gattungsge­ mäße Lenksäule bekannt, die über ein Deformationselement mit der Karosserie verbunden ist. Das Deformationselement ist als ener­ gieabsorbierender Metallstreifen in U-Form gestaltet, wobei ein freies Ende eines der Schenkel mit der Lenksäule und das freie Ende des anderen Schenkels mit der Karosserie verbunden ist. Ferner ist der Metallstreifen in einem Kasten untergebracht, in dem die Schenkel des Streifens an einander gegenüberliegenden Seiten des Kastens anliegen. Bei einer axialen Verschiebung der Lenksäule gegenüber der Karosserie wird der Metallstreifen einer sogenannten rollenden Biegung unterworfen, die durch die Anlage des Streifens in dem Kasten definiert wird.

Aus der Offenlegungsschrift DE 195 42 491 A1 ist ebenfalls eine gattungsgemäße Lenksäule bekannt, die ein axial verschiebbares Mantelrohr aufweist, das über ein energieabsorbierendes Deforma­ tionsglied karosseriefest abgestützt ist. Als Deformationsglied ist ein abgebogenes Metallband vorgesehen, das an einem Ende fest mit dem Mantelrohr und an dem anderen Ende mit der Karosse­ rie verbunden ist. Das Metallband ist ferner in einer Führung untergebracht, in der es entweder linear verschieblich oder in der Art einer rollenden Biegung deformierbar ist.

Aus der Auslegeschrift DT 16 30 882 B2 ist eine Lenksäule für ein Kraftfahrzeug bekannt, die ein Mantelrohr für eine Lenkwelle umfaßt, das in eine fahrzeugfeste, hülsenförmige Aufnahme einge­ setzt ist. An der Aufnahme ist ferner ein steifes Umformwerkzeug angeordnet, das bei einer Axialverschiebung des Mantelrohres ge­ genüber der Aufnahme das Mantelrohr unter Energieaufnahme pla­ stisch deformiert. In einem modifizierten Ausführungsbeispiel ist das Umformwerkzeug am Mantelrohr festgelegt und deformiert bei einer Axialverschiebung des Mantelrohres die Aufnahme, auf die das Mantelrohr einschließlich des Umformwerkzeuges aufge­ setzt ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Lenksäule der eingangs ge­ nannten Art zu schaffen, die ein verbessertes Deformationsver­ halten aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das we­ nigstens eine Deformationselement wenigstens einseitig am Man­ telrohr festgelegt ist und an karosseriefest angeordneten Um­ lenkmitteln anliegt, die derart axial zu dem Deformationselement positioniert sind, daß das Deformationselement bei einer Axial­ verschiebung des Mantelrohres mit Hilfe der Umlenkmittel defor­ miert wird. Dabei wird das Deformationselement mit dem Mantel­ rohr an den Umlenkmitteln vorbeibewegt, wodurch eine gezielte und sehr genau berechenbare Deformation des Deformationselemen­ tes erreicht wird. Die karosseriefeste und damit fahrzeugfeste Anordnung der Umlenkmittel gewährleistet auch eine definierte Axialverschiebung des Mantelrohres.

In Ausgestaltung der Erfindung weisen die Umlenkmittel wenig­ stens ein erstes, steifes Umlenkelement und wenigstens ein die­ sem zugeordnetes zweites Umlenkelement auf, die das wenigstens eine Deformationselement umgreifen. Dadurch wird eine exakte Führung und Positionierung des Deformationselementes erreicht.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung stehen das erste Umlenk­ element und/oder das zweite Umlenkelement in flächigem Kontakt mit dem Deformationselement. Bei einer Bewegung des Deformati­ onselementes relativ zu den Umlenkelementen läßt sich damit ge­ zielt Reibungsarbeit verrichten, wodurch ein zusätzlicher Ener­ gieabbau erzielbar ist.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist das Deformationsele­ ment als längliches Flächenelement gestaltet. Auf diese Weise läßt sich die gesamte Anordnung raum- und gewichtssparend aus­ führen.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird das Deformations­ element bei einer Axialverschiebung des Mantelrohres einer das Deformationselement durchlaufenden plastischen Deformation un­ terzogen. Dabei wird das Deformationselement räumlich begrenzt deformiert, wobei sich die Deformation aus der Sicht des Defor­ mationselementes wie eine Welle durch das Deformationselement fortpflanzt. Da das Deformationselement an jeder Stelle, die von der Deformation durchlaufen wird, zweifach deformiert wird - zum einen von einer nicht deformierten Lage in eine deformierte Lage und zum anderen wieder zurück in die Ausgangslage, ergibt sich ein besonders hoher Umformgrad und somit ein großes Energieauf­ nahmevermögen der Anordnung.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird das Deformations­ element bei einer Axialverschiebung des Mantelrohres einer rol­ lenden Biegung unterzogen. Die rollende Biegung stellt einen Sonderfall einer das Deformationselement durchlaufenden plasti­ schen Deformation dar. Dabei wird das Deformationselement auf einer Bezugsfläche abgerollt und ebenfalls kontinuierlich defor­ miert. Mit Hilfe der karosseriefest angeordneten Umlenkmittel läßt sich die rollende Biegung gezielt und vorherbestimmbar aus­ führen.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist das Deformationsele­ ment zwischen einem ersten Umlenkelement in Form eines quer zur Verschiebungsrichtung des Mantelrohres ausgerichteten Halters und einem zweiten Umlenkelement in Form eines Gegenhalters zwangsgeführt. Dabei ist vorzugsweise der Halter sowohl gegen­ über dem Gegenhalter als auch gegenüber der Befestigungsstelle des Deformationselementes an dem Mantelrohr axial entgegen der Verschiebungsrichtung des Mantelrohres versetzt angeordnet. Auf diese Weise können hohe Kontaktkräfte zwischen Deformationsele­ ment und Halter über eine Verschiebung des Mantelrohres erreicht werden.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist das Deformationsele­ ment zwischen einem ersten Umlenkelement in Form eines in Ver­ schiebungsrichtung des Mantelrohres keilförmig gestalteten Hal­ ters und einem zweiten Umlenkelement in Form eines Gegenhalters zwangsgeführt. Mit Hilfe des keilförmigen Halters läßt sich das Deformationselement bei einer Verschiebung des Mantelrohres un­ ter plastischer Verformung aus seiner Ausgangslage auslenken. Der Gegenhalter dient dabei als zusätzliche Führung.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen Halter und Gegenhalter ein winklig zur Verschiebungsrichtung des Mantelroh­ res ausgerichteter Führungsspalt gebildet, durch den das Defor­ mationselement hindurchgeführt ist. Je nach Ausrichtung und Di­ mensionierung des Führungsspaltes können mehr oder weniger große Reibungskräfte zwischen Halter und Gegenhalter einerseits sowie dem Deformationselement andererseits erzeugt werden.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung, in der bevorzugte Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnungen darge­ stellt sind.

Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsge­ mäßen Lenksäule in einer perspektivischen Darstellung,

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Lenksäule in einer perspektivischen Darstellung,

Fig. 3 eine Schnittansicht der Lenksäule nach Fig. 1, wobei das Mantelrohr in seiner normalen Ruheposition dargestellt ist,

Fig. 4 einen Schnitt durch die Lenksäule nach Fig. 1, wobei das Mantelrohr in einer axial verschobenen Position darge­ stellt ist,

Fig. 5 einen Schnitt durch die Lenksäule nach Fig. 2, wobei das Mantelrohr der Lenksäule in seiner normalen Ruheposition dargestellt ist, und

Fig. 6 einen Schnitt durch die Lenksäule nach Fig. 2, wobei das Mantelrohr in einer axial verschobenen Position darge­ stellt ist.

Die Fig. 1, 3 und 4 veranschaulichen ein erstes Ausführungsbei­ spiel einer erfindungsgemäßen Lenksäule 1 für ein Kraftfahrzeug. Die Lenksäule 1 umfaßt ein Mantelrohr 2, in dem eine Lenkwelle 3 drehbar gelagert ist. Die Lenkwelle 3 ist über ein Lenkrad 4 vom Fahrer des Kraftfahrzeuges betätigbar.

Das Mantelrohr 2 ist über eine obere Halterung 5 und eine untere Halterung 6 an der nicht dargestellten Kraftfahrzeugkarosserie fixiert. Dazu ist der oberen Halterung 5 auf seiten des Mantel­ rohres 2 ein Anschlußstück 2a zugeordnet, wobei das Anschluß­ stück 2a mit Hilfe einer oder mehrerer Nietverbindungen 7 an der oberen Halterung 5 festgelegt ist. Die untere Halterung 6 weist karosserieseitig Umlenkmittel in Form von vier Umlenkelementen 8, 9 und 11, 12 auf, die paarweise angeordnet sind. Dabei sind die Umlenkelemente 9 und 12 als Rohrabschnitte gestaltet, deren Achsen quer zur die Hauptachse der Lenksäule 1 bildenden Achse des Mantelrohres 2 ausgerichtet sind. Die Rohrabschnitte 9, 12 dienen jeweils als Halter für ein zugeordnetes Deformationsele­ ment 10 bzw. 13, während die Umlenkelemente 8 und 11 als steife Blechteile ausgeführt sind und als Gegenhalter für das jeweilige Deformationselement 10 bzw. 13 dienen.

Die Deformationselemente 10, 13 sind als längliche Flächenele­ mente in Form von Metallstreifen gestaltet, die eine rechteckige oder trapezförmige Grundform aufweisen, und sind in den Berei­ chen 10a bzw. 13a fest mit dem Mantelrohr 2 verbunden. Ein er­ findungsgemäßes Deformationselement kann aus jedem beliebigen plastisch verformbaren Werkstoff mit einer gleichbleibenden oder sich ändernden Querschnittsfläche ausgestaltet sein.

In der aus Fig. 3 entnehmbaren Ruheposition des Mantelrohres 2 befinden sich die Befestigungsbereiche 10a, 13a in axialer Rich­ tung des Mantelrohres in etwa auf gleicher Höhe mit den Gegen­ haltern 8, 11, wobei die rohrförmigen Halter 9, 12 entgegen der aus Fig. 4 entnehmbaren Verschiebungsrichtung des Mantelrohres 2 (Pfeil V) dazu versetzt angeordnet sind. Damit lassen sich die Deformationselemente 10, 13 ausgehend von den Befestigungsberei­ chen 10a, 13a am Mantelrohr 2 zunächst über die rohrförmigen Halter 9, 12 führen und anschließend an die Gegenhalter 8, 11 anlegen. Die Halter 9, 12 sowie die Gegenhalter 8, 11 sind vor­ zugsweise an einem Befestigungsgehäuse 14 angeordnet, das mit den Gegenhaltern 8 und 11 jeweils einen Führungsspalt für das zugeordnete Deformationselement 10 bzw. 13 bildet. Die Deforma­ tionselemente 10, 13 befinden sich somit in flächigem Kontakt zum Befestigungsgehäuse 14, zu den Haltern 9, 12 und zu den Ge­ genhaltern 8, 11.

Im Fall einer Fahrzeugkollision, bei der Lenkrad 4, Lenkwelle 3 und Mantelrohr 2 einer axialen Stoßbelastung, beispielsweise durch einen Aufprall des Fahrzeugführers auf das Lenkrad 4, (oder entgegengesetzt durch eine aufprallbedingte Axialverschie­ bung des Vorbaubereiches des Kraftfahrzeugs) ausgesetzt sind, verläßt das Mantelrohr 2 seine in Fig. 3 dargestellte Ruheposi­ tion und bewegt sich in Richtung des Pfeiles V (bzw. entgegenge­ setzt) in eine in Fig. 4 dargestellte ausgelenkte Position. Da­ bei ist vorgesehen, daß zunächst die Nietverbindung 7 abschert, womit ein gewisser Losreißwiderstand überwunden wird, der ein unbeabsichtigtes Verschieben des Mantelrohres 2 verhindert. Im Rahmen der Verschiebung des Mantelrohres 2 werden die Deforma­ tionselemente 10, 13 über die Befestigungsbereiche 10a, 13a mit­ bewegt. Die Deformationselemente 10, 13 werden dabei ausgehend von ihrer weitgehend spannungsfreien Positionierung gemäß Fig. 3 zwischen den Umlenkelementen 8, 9 bzw. 11, 12 hindurchgezogen und somit fortlaufend plastisch verformt. Die Verformung schrei­ tet aus der Sicht des Deformationselementes 10, 13 in der Art einer Wellenbewegung durch dieses hindurch. Gleichzeitig wird an den Berührflächen zu den Umlenkelementen je nach Oberflächenge­ staltung eine mehr oder weniger große Menge Reibungsarbeit ver­ richtet. Umform- und Reibungsarbeit ermöglichen eine wirkungs­ volle Absorption der über das Mantelrohr eingeleiteten Bewe­ gungsenergie innerhalb der unteren Halterung 6.

In einem modifizierten Ausführungsbeispiel sind die Halter 9, 12 um ihre Zylinderachsen drehbar angeordnet oder mit besonders glatten und damit reibungsarmen Oberflächen versehen, so daß die Deformationselemente 10, 13 einer sogenannten rollenden Biegung unterzogen werden, bei der die Deformationselemente auf den Hal­ tern 9, 12 sowie auf dem Mantelrohr abgerollt werden. Von der an sich bekannten rollenden Biegung unterscheidet sich dieses Aus­ führungsbeispiel dadurch, daß die Deformationselemente 10, 13 gezielt und genau definiert über die Umlenkelemente 9, 12 ge­ führt werden.

Die beiden Halter 9, 12, die beiden Gegenhalter 8, 11 sowie die beiden Deformationselemente 10, 13 sind vorzugsweise jeweils identisch ausgeführt und symmetrisch bezüglich der Achse des Mantelrohres 2 angeordnet. In modifizierten Ausführungsbeispie­ len läßt sich eine beliebige Anzahl an Deformationselementen 10 einschließlich zugehöriger Umlenkelemente 8, 9 um das Mantelrohr 2 anordnen.

In den Fig. 2, 5 und 6 ist eine Lenksäule 20 für ein Kraftfahr­ zeug veranschaulicht, die ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Lenksäule bildet. Gleichartige Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen wie beim ersten Ausführungsbeispiel versehen. Die Lenksäule 20 weist wie die Lenksäule 1 ein Mantel­ rohr 2 auf, in dem eine Lenkwelle 3 drehbar gelagert ist. Das Mantelrohr.2 ist wiederum über eine obere Halterung 5 sowie eine untere Halterung 6 an der Kraftfahrzeugkarossserie gelagert, wo­ bei eine oder mehrere Nietverbindungen 7 eine ergänzende, form­ schlüssige Festlegung des Mantelrohres 2 über ein Anschlußstück 2a an der oberen Halterung 5 bewirken.

Im Bereich der unteren Halterung 6 sind zwei identische Deforma­ tionselemente 21 mit Hilfe jeweils einer Befestigungslasche 24 einander gegenüberliegend an dem Mantelrohr 2 befestigt. Die De­ formationselemente 21 sind jeweils als zu einem Profil geformtes Flächenelement gestaltet und an den Kontaktstellen mit dem Man­ telrohr 2 bzw. einer an dem Mantelrohr fixierten Haltelasche 24 fest mit diesen verbunden. Beiden Deformationselementen 21 ist jeweils ein erstes Umlenkelement in Form eines in Verschiebungs­ richtung des Mantelrohres (Pfeil V) keilförmig gestalteten Hal­ ters 22 und ein zweites Umlenkelement in Form eines Gegenhalters 23 zugeordnet. Halter 22 und Gegenhalter 23 sind aus formstabi­ lem Metallblech gefertigt und umgreifen das zugeordnete Deforma­ tionselement 21, wobei der Gegenhalter 23 in den Hohlraum zwi­ schen Deformationselement 21 und Mantelrohr 2 eingreift. Zwi­ schen dem Halter 22 und dem entsprechenden Gegenhalter 23 ist jeweils ein Führungsspalt gebildet, der in spitzem Winkel zur Achse des Mantelrohres 2 bzw. zur Verschiebungsrichtung des Man­ telrohres ausgerichtet ist. Die Deformationselemente 21 sind je­ weils mit geringem Spiel in dem Führungsspalt zwischen Halter 22 und Gegenhalter 23 zwangsgeführt. Durch eine Änderung der Win­ kelausrichtung des Führungsspaltes läßt sich das Energieaufnah­ mevermögen der Halterung beeinflussen.

Darüber hinaus sind auch zwischen den Haltern 22 und dem Mantel­ rohr 2 jeweils Führungsspalte für das zugehörige Deformationse­ lement 21 gebildet.

Die Funktion der erfindungsgemäßen Lenksäule 20 läßt sich wie folgt darstellen. Bei einer Fahrzeugkollision prallt der Fahrer des Fahrzeuges möglicherweise auf das Lenkrad 4, über das die Lenksäule 3 einschließlich des Mantelrohres 2 gegenüber den ka­ rosseriefesten Halterungen 5, 6 in Richtung des Pfeiles V ver­ schoben wird. Bei einer derartigen Axialverschiebung des Mantel­ rohres 2 werden die mit ihm verbundenen Deformationselemente 21 gegen die keilförmigen Halter 22 gedrückt, durch den jeweils zu­ geordneten Führungsspalt zwischen Halter 22 und Gegenhalter 23 geführt und gegenüber den Haltern 22, 23 verschoben. Die Defor­ mationselemente werden dabei von den Haltelaschen 24 gestützt und einer sie durchlaufenden plastischen Deformation unterzogen, durch die sie sukzessive in radialer Richtung gegen das Mantel­ rohr 2 gedrückt werden. Auf diese Weise wird Bewegungsenergie des Mantelrohrs in Umformarbeit an den Deformationselementen um­ gewandelt, wobei ferner je nach Oberflächengestaltung in den Führungsspalten zwischen den Haltern 22 einerseits und den Ge­ genhaltern 23 bzw. dem Mantelrohr 2 andererseits mehr oder weni­ ger Reibungsarbeit verrichtet wird.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Deformationselemen­ te 21 als längliche Flächenelemente in Form von rechteckigen Me­ tallstreifen ausgeführt, die zu einem wannenförmigen Profil ge­ formt sind.

Es versteht sich von selbst, daß eine erfindungsgemäße Lenksäule auch über mehrere axial gegeneinander versetzte Halterungen 6 an einer Kraftfahrzeugkarosserie gelagert sein kann, wobei eine Halterung 6 eine oder mehrere um das Mantelrohr 2 angeordnete Baueinheiten bestehend aus wenigstens einem Deformationselement 10, 13, 21, einem Halter 9, 12, 22 und einem Gegenhalter 8, 11, 23 bestehen kann. Die Form der Deformationselemente kann von Halterung zu Halterung oder auch von Deformationselement zu De­ formationselement unterschiedlich sein.

Claims (11)

1. Lenksäule (1, 20) für ein Kraftfahrzeug mit einer in einem Mantelrohr (2) drehbar gelagerten Lenkwelle (3), wobei dem Man­ telrohr wenigstens ein Deformationselement (10, 21) zugeordnet ist, das bei Axialverschiebung des Mantelrohres (2) unter Ener­ gieaufnahme plastisch deformierbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß das wenigstens eine Deformationselement (10, 21) wenigstens ein­ seitig am Mantelrohr (2) festgelegt ist und an karosseriefest angeordneten Umlenkmitteln (8, 9, 22, 23) anliegt, die derart axial zu dem Deformationselement (10, 21) positioniert sind, daß das Deformationselement (10, 21) bei einer Axialverschiebung des Mantelrohres (2) mit Hilfe der Umlenkmittel deformiert wird.

2. Lenksäule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlenkmittel wenigstens ein erstes steifes Umlenkelement (9, 22) und wenigstens ein diesem zugeordnetes zweites Umlenkelement (8, 23) aufweisen, die das wenigstens eine Deformationselement (10, 21) umgreifen.

3. Lenksäule nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Umlenkelement (9, 22) und/oder das zweite Umlenkele­ ment (8, 23) in flächigem Kontakt mit dem Deformationselement (10, 21) stehen.

4. Lenksäule nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Deformationselement als längliches Flächenelement (10, 21) gestaltet ist.

5. Lenksäule nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Deformationselement (10, 21) bei einer Axialverschiebung des Mantelrohres (2) einer das Deformationselement (10, 21) durch­ laufenden plastischen Deformation unterzogen wird.

6. Lenksäule nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Deformationselement (10, 21) bei einer Axialverschiebung des Mantelrohres (2) einer rollenden Biegung unterzogen wird.

7. Lenksäule nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Umlenkelement ein Halter (9) mit einem gewölbten Oberflä­ chenabschnitt vorgesehen ist, über den das Deformationselement (10) bei einer Axialverschiebung umgelenkt wird.

8. Lenksäule nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Deformationselement (10) zwischen einem ersten Umlenkelement in Form eines quer zur Verschiebungsrichtung des Mantelrohres (2) ausgerichteten Halters (9) und einem zweiten Umlenkelement in Form eines Gegenhalters (8) zwangsgeführt ist.

9. Lenksäule nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Deformationselement (21) zwischen einem ersten Umlenkelement in Form eines in Verschiebungsrichtung des Mantelrohres (2) keilförmig gestalteten Halters (22) und einem zweiten Umlenkele­ ment in Form eines Gegenhalters (23) zwangsgeführt ist.

10. Lenksäule nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Halter (22) und Gegenhalter (23) ein winklig zur Ver­ schiebungsrichtung des Mantelrohres (2) ausgerichteter Führungs­ spalt gebildet ist, durch den das Deformationselement (21) hin­ durch geführt ist.

11. Lenksäule nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Deformationselement als zu einem Profil geformtes Flächen­ element (21) gestaltet ist, das mit dem Mantelrohr (2) einen Hohlraum begrenzt, in den der Gegenhalter (23) eingreift.