DE3321198C1 - Sicherheitslenksaeule aus gewickelten faserverstaerkten Kunststoffen - Google Patents

Sicherheitslenksaeule aus gewickelten faserverstaerkten Kunststoffen

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DE3321198C1
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Wolfram Dipl.-Ing. 8200 Rosenheim Koletzko
Wolfgang Dipl.-Ing. 8000 München Prochaska
Ralf-Thilo Dipl.-Ing. 8011 Putzbrunn Schulz
Franz Dipl.-Ing. 8208 Kolbermoor Sperber
Peter Dipl.-Ing. 8012 Ottobrunn Wackerle
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Messerschmitt Bolkow Blohm AG
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    • B29C53/56—Winding and joining, e.g. winding spirally
    • B29C53/58—Winding and joining, e.g. winding spirally helically

Description

a) einem an die Lenkradnabe anzuschließenden biege- und torsionsfesten Anschlußrohr (3).
b) einem ersten auf einen größeren Durchmesser führenden Übergangsbereich (4),
c) einem dünnwandigen torsionsfesten, aber axial weichen Mittelteil (5),
d) einem zweiten auf einen geringeren Durchmesser führenden Übergangsbereich (6) und
e) einem anschließenden, an das Lenkgetriebe anzuschließenden biege- und torsionsfesten Anschlußrohr (7).
2. Lenksäule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Übergangsbereiche (4 und 6) konisch sind und in Richtung auf den Mittelbereich (5) stetig abnehmende Wandstärke aufweisen.
3. Lenksäule nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittelteil (5) mit einem anderen Wickelwinkel (1X2) als die Anschlußrohre (3 und 7) gewickelt ist.
4. Lenksäule nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittelteil (5) mit einem kleineren Wickelwinkel (1X2) als die Anschlußrohre (3 und 7) gewickelt ist.
5. Lenksäule nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lenksäule (1) geodätisch gewickelt ist.
6. Lenksäule nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lenksäule (1) im Bereich der Übergangsbereiche (4 und 6) und des Mittelteiles (5) zumindest teilweise eine Netzbzw. Gitterstruktur aufweist.
7. Lenksäule nach einem der Ansprüche 1 —5, dadurch gekennzeichnet, daß die Lenksäule (1) über die gesamte Länge eine geschlossene Wandung aufweist.
8. Lenksäule nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittelteil (5) der Lenksäule (1) mit einem verlorenen Kern (9) gefüllt ist.
9. Lenksäule nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (9) aus temperaturbeständigen Kunststoff ist.
10. Lenksäule nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußrohre (3 und 7) im Bereich von Lager- und Krafteinleitungsstellen mit Zusatzwicklungen (10 und 10') bewickelt sind.
Sicherheitslenksäulen für Kraftfahrzeuge müssen möglichst torsionssteif sein, damit die Lenkkräfte zwischen der Lenkradnabe und dem Lenkgetriebe mittelbar übertragen werden können. Darüber hinaus sollen sie jedoch zumindest in einem bestimmten Bereich relativ biegeweich sein bzw. eine geringe Druckfestigkeit aufweisen, so daß im Falle eines Unfalles die auf die Lenksäule in deren Längsrichtung wirkenden Kräfte die Lenksäule zusammenstauchen und so verhindern, daß der Fahrzeuglenker verletzt wird.
Es ist vorgeschlagen worden, derartige Sicherheitslenksäulen zumindest teilweise aus faserverstärkten Werkstoffen zu wickeln. So ist aus der DE-OS 30 45 141 eine Sicherheitslenksäule bekannt, in die als bei einem Aufprall verformbares Element eine Sicherheitshülse aus gewickeltem faserverstärkten Kunststoff eingeschaltet ist. Die Sicherheitshülse ist als ein gewickeltes Gitter- bzw. Netzrohr mit sich kreuzenden Faserstrangbändern ausgebildet. Der Wickelwinkel der einzelnen Faserstrangbänder beträgt hierbei im wesentlichen ±45°. Selbstverständlich können auch die sich an die . Sicherheitshülse anschließenden Lenksäulenstücke als Wickelkörper ausgebildet sein. Beim Zusammenstauchen der Lenksäule verformen sich die Faserstrangbänder, bis die Kreuzungspunkte zwischen den Faserstrangbändern und schließlich auch die die Faserstränge selbst brechen, so daß die Lenksäule insgesamt verkürzt wird.
In der Patentanmeldung P 32 29 209.0 der Anmelderin ist vorgeschlagen worden, eine im wesentlichen zylindrische Lenksäule mit einem das verformbare Element bildenden Übergangsstück zu versehen, wobei dieses Übergangsstück aus vier, nach außen gewölbten Bändern aus jeweils drei ebenen Flächen besteht. Die Lenksäule kann mit diesem verformbaren Element einstückig gewickelt werden, wobei im Bereich der Aufwölbung ein nach dem Wickeln zu zerstörender Kern z. B. aus Kunststoff vorgesehen wird. Der Aufwand für das Wickeln wird hierdurch vergrößert; außerdem ist das Bauteil nicht mehr homogen im Wickelwinkel.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lenksäule aus faserverstärkten Werkstoffen anzugeben, die mit einem für eine Großserienfertigung geeigneten Wickelverfahren hergestellt werden kann und deren Eigenschaften in weiten Bereichen an den jeweiligen Anwendungsfall angepaßt werden können.
Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.
so Gemäß diesen Merkmalen wird die gesamte Sicherheitslenksäule als roatationssymmetrisches Rohr gewikkeh. Durch geeignete Auswahl und Auslegung von Wikkelwinkel, Wandstärke und Durchmesserverhältnissen an den jeweiligen Rohrabschnitten ist es möglich, die Sicherheitslenksäule in einem einzigen kontinuierlichen Wickelprozeß sowohl biegefest und verdrehsicher zu gestalten als auch das geforderte Deformationsverhalten bei axialer Überbelastung in einem Zug einzubauen. Die Lenksäule wird vorzugsweise geodätisch gewikkelt, d. h. Wickelwinkel α und jeweiliger Rohrradius r an verschiedenen Stellen des Rohres sind durch das Gesetz von Clairot bestimmt:
Die Erfindung bezieht sich auf eine Sicherheitslenksäule aus gewickelten faserverstärkten Kunststoffen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
65 0i\ ■ Sin X\ = A'2 · Sin OCl
Jm vorzugsweise konischen Übergangsbereich der Lenksäule wird für die geodätische Wicklung eine Oberfläche als Hyperpoloid derart bestimmt, daß ein gerader
Faden tangential am kleinen Durchmesser d\ mit dem Wickelwinkel oc\ auf dieser Fläche abgelegt wird. Mit den Parametern d\, X2, d2 und mit der geradlinigen Tangentenbedingung ist das Hyperpoloid eindeutig bestimmt. Am Übergang zum Durchmesser d2 wird der Faden abgeknickt und im üblichen schraubenförmigen Wickelvorgang mit dem Wickelwinkel oc2 abgelegt.
Der Kegelwinkel β errechnet sich nach folgender Beziehung:
tan a2 =
tan/? (2)
Durch dieses Wickelverfahren sind jeweils die Anschlußrohre und das dünnwandige zylindrische Mittelteil homogen bewickelte Rohrabschnitte, während die konischen Übergangsbereiche inhomogen bewickelt sind, da die Wandstärke von dem Anschlußrohr entsprechend der Durchmesserzunahme bis auf den Durchmesser des Mittelteiles reduziert wird. Außerdem ändert sich hier der Wickelwinkel gemäß der oben angegebenen Formel entsprechend den lokalen Durchmessern. Bei einem Aufprallunfall mit axialer Drucküberbelastung der Lenksäule treten in den homogenen Rohrabschnitten ausschließlich Druckbeanspruchungen auf. In den konischen Übergangsbereichen wird eine Stauchung der Lenksäule durch Biegung eingeleitet, wobei die Biegemomente aus den Schubkräften der angrenzenden homogenen Rohrabschnitte hervorgerufen werden, wobei diesen eine Querzugabe aufgrund der entstehenden Umfangsspannungen im Kegelmantel des Übergangsbereiches überlagert wird.
Die Lenksäule gemäß der Erfindung kann einfach und kostengünstig in Großserie hergestellt werden. Für das Wickeln der Lenksäule in den Übergangsbereichen und dem vorzugsweise zylindrischen Mittelteil wird ein verlorener Kern, z. B. aus Schaumstoff oder dgl., verwendet, der nach dem Wickeln der Lenksäule an seinem Platz verbleibt. Durch die Wicklung werden die Fäden so auf dem Wickeldorn abgelegt, daß eine hohe Rutschsicherheit gegeben ist.
Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung liegt auch darin, daß die Festigkeitseigenschaften der Sicherheitslenksäule für verschiedene Anwendungsgebiete durch Wahl von nur drei Parametern festgelegt werden kann, nämlich den Durchmesser bzw. den Durchmesserverhältnissen der einzelnen Rohrabschnitte, den Wickelwinkel und die Wandstärkenverhältnisse der Rohrabschnitte.
Dabei ist es möglich, die Anschlußrohre als Rohre mit geschlossener Wandung zu wickeln und deren Wandstärke so zu wählen, daß zumindest Teile der Aufweitung der Lenksäule in den konischen Übergangsbereichen und den zylindrischen Mittelteil eine Netzstruktur erhalten. Bei einer solchen Wahl des Ablegemusters kann die Umfangsfestigkeit durch die Gitterstruktur wesentlich herabgesetzt werden.
Weitere Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen. In der Beschreibung ist die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung stellt dar:
Fig. 1 einen Längshalbschnitt einer Sicherheitslenksäule gemäß der Erfindung mit einer als verformbares Element dienenden Aufweitung;
F i g. 2 eine perspektivische Teilansicht der Lenksäule gemäß F i g. 1 im Bereich der Aufweitung;
F i g. 3 schematisch einen Querschnitt durch die Lenksäule im Bereich der Aufweitung zur Erläuterung der bei Axialdruckbelastung auftretenden Kräfte.
Eine Sicherheitslenksäule 1 aus gewickelten und durch ein ausgehärtetes Harz miteinander verbundenen Faserstrangbändern 2 (Fig.2) ist aus fünf Bauteilabschnitten 3,4,5,6 und 7 zusammengesetzt. Der Bauteilabschnitt 3 ist ein dickwandiges Anschlußrohr mit der Wandstärke S\, dem Durchmesser d\ und dem Wickelwinkel oc\. Das Rohr ist relativ biege- und torsionssteif ausgebildet. In gleicher Weise als dickwandiges Anschlußrohr ist der Bauteilabschnitt 7 ausgeführt. Die
ίο Rohrenden beider Anschlußrohre sind so ausgestaltet, daß Lenkgetriebe und Lenkradnabe angeflanscht werden können. Diese Anschlüsse sind für das Anschlußrohr 7 schematisch dargestellt und insgesamt mit 8 bezeichnet. Die Bauabschnitte 4 und 6 sind konische Übergangsbereiche. Im Übergangsbereich 4, der sich an das Anschlußrohr 3 anschließt, nimmt die Wandstärke beginnend von S\ entsprechend der Durchmesserzunahme auf di bis auf einen Wert S2 ab. Der Wickelwinkel ändert sich durch die geodätische Wicklung entsprechend dem steigenden Durchmesser.
An diesen konischen Übergangsbereich 4 schließt sich als Mittelteil 5 der Lenksäule ein dünnwandiges zylindrisches Rohr mit der Wandstärke S2 und dem Durchmesser d2 an. Entsprechend dem größeren Durchmesser ist hier der Wickelwinkel x2 relativ flach. Das Mittelteil 5 ist torsionssteif, jedoch axial weich.
Auf das Mittelteil 5 folgt der zweite konische Übergangsbereich 6, dessen Durchmesser bis auf den Durchmesser des Anschlußrohres für das Lenkgetriebe reduziert wird. Der Durchmesser des Anschlußrohres 7 wird im allgemeinen gleich d\ gewählt.
Die Lenksäule wird in einem Zug programmgesteuert gewickelt, und zwar nach einem geodätischen oder nichtgeodätischen Wickelverfahren.
Die verschiedenen Durchmesser, Wandstärken und Wickelwinkel sowie ferner der Kegelwinkel/?der konischen Übergangsbereiche 4 und 6 werden bei geodätischer Wicklung unter Berücksichtigung der oben angegebenen Formeln so gewählt, daß die Lenksäule bei axialer Drucküberbelastung das gewünschte Deformationsverhalten aufweist. Die Aufweitung aus den konischen Übergangsbereichen 4 und 6 sowie des Mittelteiles 5 ist mit einem Schaumkern 9 ausgefüllt, der bei der Wicklung als Wickelkern dient und in der Lenksäule verbleibt.
Das Anschlußrohr 7, das wie das Anschlußrohr 3 mit dem Wickelwinkel oc\ gewickelt ist, weist noch zwei Zusatzwicklungen, z. B. Radialwicklungen 10 und 10' auf, die als Lagersitze für die Lenksäulenlagerung dienen.
so Ähnliche Radialwicklungen können auch an dem Anschlußrohr 3 vorgesehen werden.
Bei der dargestellten Lenksäule ist die Wandstärke S\ der Anschlußrohre 3 und 7 aufgrund der Wickelwinkel so gewählt, daß sich im Bereich der Aufweitung aus den konischen Übergangsbereichen 4 und 6 und dem Mittelteil 5 zumindest teilweise eine Netzstruktur ergibt, wie sie in F i g. 2 dargestellt ist. Man sieht hier deutlich, wie durch das geodätische Wickelverfahren der Wickelwinkel <x\ bei dem Anschlußrohr 3 sich mit der Durchmesserzunahme reduziert und im Mittelteil 5 den relativ flachen Wickelwinkel A2 einnimmt. Aus F i g. 2 ist auch ersichtlich, daß die Lenksäule im Bereich der Aufweitung allmählich in eine Netzstruktur aus sich kreuzenden Faserstrangbändern 2 übergeht.
Um die Lenksäule zu fertigen, wird zunächst ein hier nicht gezeigter Wickeldorn mit dem fertig bearbeiteten Schaumkern 9 und den Anschlüssen 8 für Lenkgetriebe und Lenkradnabe versehen. Anschließend werden die
Faserstrangbänder 2 in geodätischer oder nichtgeodätischer Fadenführung in entsprechenden Wickelwinkjeln abgelegt. Danach werden die Radialwicklungen 10 und 10' für die Lagerung der Lenksäule aufgewickelt. Das derart hergestellte Bauteil wird anschließend ausgehär- ■> tet und mechanisch bearbeitet. So werden die Lagersitze abgedreht und die Lenksäule auf Sollmaß abgelängt. Nach Beendigung dieser Arbeiten wird der Wickeldorn herausgezogen. Die Lenksäule wird anschlicf3end feinbearbeitet; so werden z. B. zur eindeutigen Drehorientierung noch Führungsschlitze eingearbeitet. Ergebnis ist eine insgesamt torsionssteife Sicherheitslenksäule, die jedoch bei axialer Überbclastung ein bestimmtes Deformationsverhalten aufweist.
Bei einer solchen axialen Drucküberbelastung der Lenksäule mit der Kraft F (vgl. Fig. 3) treten in den homogenen Lenksäulcnabschnitten 3, 5 und 7 ausschließlich Druckbeanspruchungen auf. Durch den Übergang zu den konischen Übergangsbereichen, insbesondere zu dem vorderen Übergangsbereich 4 werden an den Knickstellen zwischen Anschlußrohr 3 bzw. Mittelteil 5 und dem Übergangsbereich 4 Biegemomente Md erzeugt, die durch Umfangsspannungen innerhalb des Kegelmantels des Übergangsbereiches 4 überlagert werden. Hierdurch bricht die Struktur des Übergangsbereiches auf und die Lenksäule kann axial zusammengestaucht werden. Durch Wahl des Wickclwinkels und damit auch des Kegelwinkels β der konischen Übergangsbereiche können die Umfangsspannung bzw. die zulässigen Biegemomente derart beeinflußt werden, jo daß die Deformation innerhalb des gewickelten Laminates auf Querzug und/oder auf Biegung quer zu der Laminatwicklung erzeugt werden kann.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen J5
40
45
60
f)5

Claims (1)

Patentansprüche:
1. Sicherheitslenksäule aus gewickelten faserverstärkten Kunststoffen mit einem beim Zusammenstauchen der Lenksäule verformbaren Element in Form einer Aufweitung, wobei die gesamte Lenksäule ein einstückiges, mit Anschlüssen für Lenkgetriebe und Lenkradnabe versehenes Wickelteil ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Lenksäule (1) rotationssymmetrisch und in Folge zusammengesetzt ist aus:
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