DE1931390A1 - Sicherheitslenksaeule - Google Patents

Description

dr. ing. ernst maier difl.-ing. klaus dehn

PATENTANWALT , IS 99 SO, SS 81 ■* PATENTANWALTS

_A 22269 ^{20# Juni 1969}

Ml/My

Firma FUJI JYUKOGYO KABUSHIKI KAISHA, 73-2, 2-Chome, Tsunohazu, Shinjuku-Ku, Tokio-/ Japan

Sicherheitalenkaäule

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Sicherheitseinrichtungen, die zur Stoßabsorption an Fahrzeugen dienen. Im einzelnen betrifft die Erfindung eine Stöße aufnehmende Säule der Lenkeinrichtung von Kraftfahrzeugen, die bei einem Frontalaufprall in Wirkung kommt und die Kräfte, die auf die Lenksäure einwirken und nach hinten durchschlagen, auffängt und damit verhindert, daß die Säule und das Lenkrad rückwärtsgedrückt werden und beim Fahrer zu ernsten Verletzungen führen.

Die Sioherheitslenksäule muß folgende wichtige Aufgaben erfüllen«

90988A/1192

!•!•eranunadrau·! Partnlwntor

(1) Das Drehmoment zum Lenken vom Lenkrad auf die Vorderräder übertragen;

(2) bei einem Frontalaufprall die Stoßenergie aufnehmen.

Bei einer bekannten derartigen Einrichtung wird die Aufgabe (2) durch Zusammenziehung des Mechanismus gegen einen bestimmten Widerstand gelöst. Nahezu alle bekannten Lenkeinrichtungen mit Sicherheitseigenschaften weisen eine Ansammlung von Teilen mit jeweils gesonderter Punktion auf und sind dadurch aufwendig und teuer. .

Die Aufgabe wird bei der Erfindung darin gesehen, eine Sicherheitslenksäule zu schaffen, die als einfaches Teil die Doppelfunktion übernehmen kann, sowohl das Drehmoment zum Lenken zu übertragen als auch Stöße im Falle eines Aufpralls in axialer Richtung der Lenksäule zu schlucken.

* Eine derartige Lenksäule soll erfindungsgemäß einfach

und billig sein und aus einer kleinen Anzahl von Teilen bestehen, und sie soll einfach, zuverlässig und im Betrieb sicher sein.

Weiter wird die Aufgabe der Erfindung darin gesehen, eine Sicherheitelenksäule obengenannter Art zu schaffen, die

. ■ . - 3 - ■ : "' 9 0 9.8 8 4 / 1 1 9 2 .

nur ein geringes Gewicht hat und sehr kompakt ist und die "bei trotzdem vorhandener Funktionstüchtigkeit kurz baut.

Eine derartige Sicherheitslenksäule muß überdies den Sicherheitsvorschriften von Kraftfahrzeugen aller wichtigen Länder entsprechen«

Erfindungsgemäß wird eine derartige Aufgabe dadurch geläst, daß die Sicherheitslenksäule wenigstens zwei Säulenteile besitzt, die teleskopartig miteinander verbunden sind und wenigstens im Bereich ihrer Verbindung als Rohre ausgebildet sind und diese beiden Säulenabschnitte in den Bereichen, die von der Verbindungsstelle entfernt liegen, Kreisquerschnitt haben, während sie an der Verbindungsstelle einen Querschnitt-haben, der von der Kreisform abweicht, so daß die Säule, die Doppelfunktion ausüben kann, sowohl das Drehmoment zum Lenken zu übertragen als auch sich teleskopartig unter Überwindung des Gleitwiderstands in Längsrichtung zu verkürzen, wenn auf sie eine übermäßige Stoßkraft einwirkt, so daß sie dabei -die Stoßenergie verbraucht.

Anhand der nun folgenden Beschreibung von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen werden die Vorteile, -Eigenschaften und Merkmale der Erfindung noch deutlicher offenbar*.-Es. zeigen; .-;--.

909884/1192

Fig. 1 eine Seitenansicht, teils geschnitten, eines Ausschnitts der Verbindungsstelle der die Stöße aufnehmenden Teile bei einem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Lenksäule vor ihrer Verformung;

Fig. 2(a) eine Seitenansicht der Verbindungsstelle wie Fig. 1, jedoch nach dem Verformen;

Fig. 2(b), 2(c) und 2(d) Querschnitte entsprechend den Linien 2b, 2c und 2d in Fig. 2(a);

Fig. 3(a) einen Längsschnitt von der Seite gesehen eines gegenüber dem in Fig. 2(a) gezeichneten abgewandelten Ausführungsbeispiels;

λ Fig. 3(b) bis 3(f) Querschnittsdarstellungen in den ■ Ebenen 3b bis 3f in Fig. 3(a);

Fig. 4 eine graphische Darstellung der Stoßenergievernichtung in Form von Belastungs-Verschiebungs-Kurven eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels j

Fig. 5 und 6 ähnliche graphische Darstellungen, in denen die Stoßenergievernichtung bei bisher bekannten Sicherheitslenksäulen wiedergegeben ist;

Fig. 7(a) ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Lenksäule im Längsschnitt; '

Fig. 7(b) bis 7(e) Querschnittsdarstellungen der Ebenen 7b bis 7e in Fig. 7(a);

Fig. 8 die Verbindungsstelle der Lenksäule nach Fig· * 7 nach deren Zusammenbau, jedoch vor ihrer

Verformung;

Fig. 9(a) und 9(b) Draufsicht und Endansicht des Innenrohrs der in Fig. 8 gezeigten Lenksäule; und

Fig.10 einen Längsschnitt, der die die Stöße aufnehmenden Teile nach einer axialen Belastung der Vorrichtung gemäß Fig. 7 bis 9 zeigt.

909884/1192

Bei dem in den Pig. 1 bis 3 gezeigten Ausführungsbeispiel der Erfindung besteht die Lenksäule im wesentlichen aus einem oberen Säulenabschnitt 2 und einem unteren Säulenabschnitt 3, die miteinander drehfest mit dem Lenkrad 1 und dem Lenkgetriebe 4 eines (nicht dargestellten) Fahrzeugs verbunden sind· Im vorliegenden Fall sind sowohl der obere als auch der untere Lenksäulenabschnitt 2 und 3 hohle Rohre.

Die oberen und unteren Abschnitte 2 und 3 bestehen aus Rohren mit Ereisquerschnitt, die hinreichend biege- und torsionsfest sind und mit einem kleinen Schiebesitz ineinanderstecken, wie dies die Fig. 1 zeigt. Die Lenksäulenab-Bohnitte, die bei entsprechendem Durchmesser ineinandergefügt sind, werden duroh Abflachen eines Bereiohs 5 in einem rohrförmigen Abschnitt zu einem elliptischen Querschnitt mit entsprechenden Übergangsstücken 6 und 7 an-den beiden Enden des Abschnitts 5 verformt, wie dies die Fig. 2a bis 2d wiedergeben, die den endgültigen Zustand der Vorrichtung zeigen. Die so zusammengefügten Lenksäulenabschnitte werden außerdem um einen bestimmten Abschnitt in axialer Richtung äineinandergesohoben, so daß die Lenksäule selbst bereits eine bestimmte Grundbelastung in axialer Richtung auszuhalten vermag, um gewöhnlichen axialen Belastungen, die kleiner sind als die Stoßbelastung bei einem Aufprall, standhalten zu können.

909884/1192

Der elliptische Querschnitt des deformierten Abschnitts 5 ist so bemessen, daß die Lenksäule die gewöhnlich beim Lenken zu übertragenden Drehmomente übertragen kann. Zugleich wird durch die allmähliche Änderung des Querschnitts in dem deformierten Abschnitt 6 von einem Kreisquerschnitt in einen elliptischen erreicht, daß sich die Lenksäule unter einer im wesentlichen konstanten Widerstandskraft verkürzen kann und dabei die beim Stoß auftretende P Energie infolge der Verformung vernichtet wird·

Das maximal übertragbare Drehmoment und der Widerstand, der der axialen Verkürzung entgegengesetzt wird, bestimmen sich durch Faktoren wie etwa dem Grad der Deformation (des Kreisquerschnitts) im Abschnitt 5, der Wandstärke der beiden Rohre und der Länge des Verbindungsabschnitte wobei sich diese Parameter untereinander beeinflussen. Durch Vergrößerung oder Verkleinerung dieser Werte oder durch Ver-Wendung eines Profils mit zwei Stufen des verformten Abschnitts, wie es die Fig. 3 zeigt, können die Werte des übertragbaren Drehmoments und der Widerstandskraft in axialer

Richtung in beliebiger Weise beeinflußt werden.

Eine vorteilhafte Eigenschaft der Erfindung ist darin zu sehen, daß die zwei wichtigen Funktionserfordernisse (das sind die Übertragung des Lenkdrehmoments und die Ver-

- 7 -'■■■■ 909884/1192

nichtung der Energie im Augenblick eines Aufpralls) für eine derartige Sicherheitslenksäule zugleich durch eine sehr einfache Konstruktion in einem einzigen Teil der Lenksäule erzielt werden, ohne daß dabei weitere energievernichtende Elemente benötigt werden.

Um die Einzelheiten noch deutlieher zu machen und damit die Nützlichkeit der Erfindung aufzuzeigen, werden folgende, aus der Praxis stammende Beispiele beschrieben, die selbstverständlich nur als Erläuterung aufzufassen sind und die Erfindung keineswegs begrenzen.

Anordnungen mit Stahlrohren, deren Abmessung D₁ = 33,5 mm (Wandstärke 1,6 mm) und D₂ = 30,0 mm (Wandstärke 2,6 mm) sind, wie dies in Pig. 2(b) angedeutet ist, werden einem Versuch unter nachfolgenden Bedingungen unterzogen:

Die in Pig. 2a mit a und b bezeichneten längen sind 70 mm und 10 mm. Nach dem Abflachen der Kreisrohre in einen elliptischen Querschnitt in einer Form, wie unten angegeben, werden die Säulenabschnitte noch um 10 mm in axialer Richtung ineinandergeschoben, und sie werden dann in Versuchen auf Übertragbarkeit des maximalen Drehmoments und Aufnahme eines axialen Stoßes geprüft. Die Ergebnisse sind in der nachfolgenden Tabelle wiedergegeben.

- 8 90 9 884/11 9 2.

1	33,5
2	33,5
3	33,5

29	5,5
27	9,5
25	15,5

-B-

Probe Außendurchmesser Kleine Achse maximal über- Axialkraft

Nr. Tor der Verformung der Ellipse tragbares beim Last-

D " " . · nach der Ver- Drehmoment stoß (mm) formung (kg m) (kg)

d
(mm)

Da die maximal erforderliche Kraft zum Drehen dee Steuerrades bei normalen Bedingungen etwa 15 kg ist, was einem Drehmoment in der Lenksäule von etwa 3 kgm entspricht, ist das maximal übertragbare Drehmoment, das bei der Lenksäule nach der Erfindung erreicht wird, mehrfach hoch genug, was das Ergebnis in obiger Tabelle anzeigt.

Die Axialkraft, unter der die Lenksäule bei einem Stoß zusammendrückbar ist, wurde bei den im Versuch verwendeten Proben Nr. 1 und Nr^ 3 mit 500 bzw. 700 kg ermittelt, ψ und die dabei gefundene Kurve der Energievernichtung ist in Fig. 4 wiedergegeben. Ein Vergleich der Energievernichtungskurve bei einer Anordnung nach der Erfindung zu bekannten Sicherheitslenksäulen (dargestellt in Pig, 5 und 6) zeigt eine ausgezeichnete Wirksamkeit bei der Energievernichtung während der gesamten Verkürzung der Lenksäule. Die erfindungsgemäße Sicherheitslenksäule ist also für den Einsatz in

- 9 -909884/1192

Kraftfahrzeugen besonders günstig und wirksam, wenn, wie in kleinen und kompakten Kraftfahrzeugen,für eine langbauende., Sicherheitslenksäule kein Platz vorhanden ist.

Bei einem anderen vorteilhaften Ausführungsbeispiel, das in den Fig. 7 bis 10 gezeigt ist, ist die Lenksäule 12 ebenfalls mit dem Lenkrad 1 und dem Lenkgetriebe 4 des Fahrzeugs verbunden und besteht aus einem oberen Lenksäulenabschnitt 14 und einem unteren Lenksäulenabschnitt 15. Der obere Säulenabschnitt 14 setzt sich aus einer Welle 16 und einem Innenrohr 17 zusammen, in dessen oberes Ende das untere Ende der Welle 16 eingesetzt und mit diesem fest etwa durch Schweißen verbunden ist. Der untere Lenksäulenabschnitt 15 weist ein Außenrohr 18 und eine Yerbindungsstange 19 auf, deren oberes Ende in das untere Ende des Außenrohrs 18 eingesetzt und ebenfalls etwa durch Schweißen mit diesem fest verbunden ist.

Die Welle \S und die Verbindungsstange 19 sind aus Bundstangenmaterial und das Innen- und das Außenrohr 17 bzw. 18 aus Rohren mit K-relsquerschnitt gefertigt. Die Materialeigenschaften und Abmessungen dieser Teile sind so ausgewählt, daß die Lenksäule nach ihrem Einbau die erforderliche Steifigkeit bezüglich Biege- und Torsionsbeanspruchung hat. Die Rohrstücke 17 und 18 können an die gekuppelten Teile der,

- 10 90 98 84/1192

- ίο -

Lenksäulenabschnitte 15 und 16 angefügt sein oder auch sich über deren gesamte Lange erstrecken.

Die vemchiedenen Verbindungen zwischen den ineinandergefügten und aufeinander abgestimmten Teilen können in trockenem Zustand dieser Teile ausgeführt sein oder es kann auch ein Schmiermittel wie etwa öl oder Fett verwendet werden.

Die oberen und unteren Lenksäulenabschnitte H und sind mit' einem Schiebesitz ineinandergefügt, wie dl4s die Fig. 8 zeigt, bevor sie verformt werden, und sie werden dann durch Pressung in ihrem .Querschnitt im Bereich 23 aus dem Kreisquerschnitt in einen elliptischen verformt, wie dies bereits in Zusammenhang mit dem vorigen Beispiel dargestellt wurde, wobei Übergangsabschnitte 22 und 24- entstehen, in denen der Querschnitt allmählich von der Kreisform in die elliptische übergeht. Außerdem erhält der obere Endabschnitt -2t'des Innenrohrs 17 zuvor zwei Längsschlitze 20, die etwas keilförmig verlaufen, wie dies die Pig. 9a zeigt, die aber auch parallelwandige Schlitze sein können, und in die entsprechende Nocken des Außenrohrs 18 durch Preßverformung eingeformt werden, wobei Nuten 18a entstehen.

- It -

9884/1192

- ιί - ■

Die Lenkeinriolitung der oben beschriebenen Ausführungsform nach der Erfindung arbeitet nun in folgender Weise. Die Lenksäule 12 wird in der in Fig. 7a gezeigten Form eingebaut und dient dazu, im Normalbetrieb das Drehmoment vom Lenkrad 1 auf das Lenkgetriebe 4 zu übertragen. Dabei wird das Drehmoment vom Lenkrad 1 vom oberen lenksäulenabschnitt H und dem unteren Lenksäulenabschnitt 15 übertragen, und diese Übertragung über die ineinandergefügten Teile ist wegen der elliptischen Form, wie sie die Fig. 7c zeigt, und der Nut- und Keilverbindung 18a, 20, wie sie die Verbindung 7e zeigt, möglich.

Übermäßige Laststöße vom Lenkgetriebe oder vom Steuerrad werden in der Weise absorbiert, daß die ineinandergefügten Abschnitte sich ineinanderschieben und die Lenksäule dardurch aus dem in Fig. 7a gezeigten Zustand in den in Fig. gezeigten verkürzt wird. Während dieser Verkürzung wird Stoßenergie verbraucht, was auf die Reibungskräfte und die plastische Verformung des Außenrohrs 18 aus dem elliptischen Querschnittszustand, wie er in Fig. 7c gezeigt ist, in den kreisförmigen nach Fig. 7d bedingt ist, da der Übergangsbereich 22a des Innenrohrs 17 (siehe Fig. 1a) in das Außenrohr hineingeschoben wird.

- 12 -

909884/1192

Die Festigkeit des Innenrohrs 17 wird .wesentlich größer gewählt als die des Außenrohrs 18, um eine Deformation des Übergangsbereiches 22a während der Verkürzung nahezu vollständig auszuschalten, was zur Folge hat, daß die Widerstandskraft, die die Lenksäule bei der Verkürzung entgegensetzt, über den gesamten Verschiebungsweg etwa konstant ist.

Die eingeformten Vorsprünge 18a für die Drehmomentübertragung und die Schlitze 20 im Innenrohr sind; vorzugsweise leicht keilförmig gestaltet, so daß die Reibung während des ersten Augenblicks der Verkürzung der lenksäule durch diese Elemente nicht wesentlich erhöht wird.

Wie die Beschreibung zweier Ausführungsbeispiele zeigt, macht es die Erfindung möglich, gleichzeitig zwei Forderungen zu erfüllen, nämlich die übertragung des Lenkdrehmoments und die. Energievernichtung bei einem übermäßigen Stoß in axialer Richtung, indem erfindungsgemäß eine Sicherheitslenksäule verwendet wird, die sehr einfach aufgebaut ist und deren Sicherheitselement aus einem einzigen Teil besteht, so daß günstigste Raumausnutzung, leichtes Gewicht und geringe Herstellungskosten erzielt werden können, was sehr wesentlich für die Teile von Kraftfahrzeugen ist.

- 13 -

9 0 9 8 8 4/1192

Es sind zahlreiche Abwandlungen von Einzelheiten gegenüber den dargestellten Ausführungsbeispielen möglich, ohne daß dabei der Rahmen der Erfindung verlassen wird. So kann z.B. auch der obere Lenksäulenabschnitt den unteren übergreifen. Auch können die Abschnitte 5 bzw. 23 statt eines elliptischen auch einen anderen Querschnitt haben, der von der Kreisform abweicht.

Eine weitere Variation ist die, daß mehr als zwei Rohrelemente ineinandergefügt sind.

-H-

90988A/1192

Claims (5)

■- H - ' Patentansprüche

1. Sicherheitslenksäule mit wenigstens zwei Säulenabschnitten, die koaxial miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Verbindungsstelle (5;23) teleskopartig gestaltet ist und die Säulenabschnitte (2,3; H»15) wenigstens im Bereich der Verbindungsstelle aus einem Rohrmaterial bestehen und mit Abstand von der Verbindungs-

^ stelle Kreisquerschnitt aufweisen und von der Kreisform abweichende Querschnittsform an der Verbindungsstelle und angrenzend an diese, wodurch die Lenksäule sowohl das Lenkdrehmoment übertragen als auch sich in Längsrichtung unter Gleitreibung teleskopisch verkürzen kann, wenn auf sie ein einen Schwellwert ,übersteigender Stoß einwirkt, wobei Stoßenergie vernichtet wird.

2. Lenksäule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einer der Säulenabschnitte (H) in den anderen (15) ein-

" gesetzt ist und einen Längsschlitz (20) an seiner Rohrwandung aufweist, während der den Schlitz (20) übergreifende Teil (18) des äußeren Abschnitts (15^) in den Schlitz (20) eingreifend eingeformt ist, wodurch die Säulenabschnitte in axialer Richtung gleitbar und in Drehrichtung gekuppelt miteinander verbunden sind.

- 15 -

909 8 84/1192

3. Lenksäule nach. Anspruch. 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Kreisform abweichenden Bereiche elliptisch gestaltet sind.

4. Lenksäule nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Säulenabschnitte (14,15) an ihren äußeren Enden starr mit Wellenstücken (16,19) kreisförmigen Querschnitts verbunden sind.

5. Verfahren zur Herstellung der Lenksäule nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst die beiden Säulenabschnitte von durchgehend kreisförmigem Querschnitt koaxial ausgerichtet teleskopisch ineinandergefügt werden und im Bereich der teleskopischen Überlappung dann auf die Verbindungsstelle eine Querkraft ausgeübt wird, welche den Querschnitt der Lenksäulenabschnitte vom Kjreisquerschnitt abweichend verformt.

9 0 3 8 8 4/1192