用于安全转向柱的溃缩元件的制作方法

文档序号:14397400

本发明涉及一种用于安全转向柱的溃缩元件。



背景技术:

机动车辆使用安全转向柱来在正面碰撞时增加驾驶员的安全性。安全转向柱防止转向柱的部分(特别是方向盘)被推入到驾驶舱中。已知使用各种通常无源机械装置来实现这一点。一种方法是将转向柱构造为伸缩转向柱,其中转向柱的一部分与转向柱的另一部分接合,并且在超过预定阈值力时,可以将转向柱的一部分伸缩地推入到另一部分中,从而减少转向柱的总长度。这两个部分可以例如通过连接元件连接在一起,该连接元件设计成当超过阈值力时屈服。

可选地或另外地,可以提供在高于阈值的力下变形并且在转向柱的纵向方向上被压缩的溃缩元件。以这种方式,除了有效地缩短转向柱之外,还实现了能量吸收。在足够强的轴向力的作用下,相应的溃缩元件应该可靠地屈服,同时必须保证转向柱内扭矩的传递。为此,溃缩元件本身必须有足够抵抗扭矩的扭转刚性,否则必须通过其他部件来传递扭矩。

现代安全转向柱在功能上是有效的,但在结构中通常是复杂的并且由多个相互作用的部件组成。这增加了构造的成本和时间。此外,大量的部件和复杂性使得修复转向柱可能是昂贵且复杂的。

EP 0 091 671 A2公开了一种具有刚性转向柱部分和带有栅格结构的管状部件的安全转向柱,其中栅格结构在转向柱溃缩时屈服。管状部件与转向柱部分共同由纤维增强塑料一体制成。栅格结构可以特别地由彼此交叉的腹板形成,并且腹板相对于管状部件的纵向轴线以55°的角度延伸。

US 4,465,301A公开了一种安全转向柱,该安全转向柱中插入有近似管状的安全元件,安全元件由相互交叉的纤维增强塑料股线组成,并且可以例如具有圆形或八边形的横截面。设置为在事故中沿纵向方向压缩安全元件,同时抵抗转向运动的扭矩。

GB 1 125 206A提供了一种安全转向柱,其中设置有具有带孔的金属结构的大体为管状的安全元件。此处,将沿相反方向缠绕的螺旋状金属条焊接在一起,或者由带孔的板件制成管。在US 3,500,698A中公开了类似的安全柱。

US 4,634,399A描述了用于在两个轴之间(例如在转向柱内)传递扭矩的部件。栅格状的护套设置在围绕连续的中心部分的一定距离处。护套由相互交叉的纤维增强塑料股线制成。

WO 2015/053940A1描述了可以例如用在飞机或机动车辆中的部件。为了减少应力并且实现改进的能量吸收,提供的是在添加制造过程中制造具有带孔的内部结构的部件。该内部结构与部件的外部一体地制造。

WO 2015/164663 A1公开了一种具有第一结构元件和第二结构元件的能量吸收单元,该第二结构元件与第一结构元件间隔开并且定向为平行于第一结构元件。结构元件通过彼此成一定角度设置的中间元件连接。主要通过中间元件的变形来实现能量吸收。通过重复这种单元结构,特别是通过附加制造方法,可以生产不同尺寸的能量吸收部件。

此外,在现有技术中,已知基于两个可伸缩的相互接合的转向柱部分(大致以伸缩转向柱的方式)的各种安全转向柱,由此两个部分的伸缩部分一起使能量吸收元件变形。

因此,US 3,401,576A示出了具有两个可伸缩接合部分的安全转向柱,两个可伸缩接合部分由以波纹管的方式形成的金属套筒围绕成一体,在发生事故时压缩波纹管来能量吸收。

US 3,461,740A描述了具有连接装置的安全转向柱,其中远离方向盘的第一部分与方向盘侧的第二部分中的截头圆锥端接合。如果两部分之间的轴向力超过特定的阈值,那么第一部分被压入到第二部分中来使第二部分变形,由此转向柱缩短。

US 3,590,655A公开了具有不同能量吸收单元的安全转向柱。在第一能量吸收单元中,彼此同心地设置的两个圆柱形元件之间设置多个球。在第二能量吸收单元中,圆柱形元件具有由相互交叉的条状部分构成的栅格状带孔的部分。

US 3,740,068A提供了一种安全转向柱,该安全转向柱中两个部分也可伸缩地接合,其中外部设置的能量吸收元件由部分带孔的成角度的片状金属部分构成。

US 3,835,725A中公开的安全转向柱包含可伸缩地接合的上部和下部,并且上部和下部通过同心设置的金属管连接在一起。当两部分之间的轴向力超过极限值时,金属管被压缩并且变形,并且这些部分被推入彼此中。

US 4,411,167A提供了一种安全转向柱,其中转向柱的两个部分通过多个元件连接在一起,该多个元件部分地可伸缩地接合并且通过塑料杆连接在一起。当超过特定的轴向力时,相应的塑料杆断裂并且将元件推入彼此中。最后,两部分之间还可能完全分离。

在US 7,644,951B2中公开的安全转向柱中,内管状部件接合在外管状部件中。内管状部件在距外管状部件的一轴向距离处具有加宽部分。内管状部件被塑料管围绕在该部分与外管状部件之间,当轴向力超过阈值时塑料管变形,其中内管状部件被推入外管状部件中。

US 5,342,091A公开了一种安全转向柱,其中实心内部部件接合在管状外部部件中。销被推动通过内部部件的横向孔并且在两侧突出,来支撑管状能量吸收元件。如果内部部件被推入到外部部件中,那么能量吸收元件与外部部件接触并且被其停止,其中销由于能量吸收元件变形而被推向内部。

鉴于概述的现有技术,提供可靠的、结构简单的安全转向柱具有改进的空间。



技术实现要素:

本发明的目的在于提供一种可靠的、结构简单的安全转向柱。特别在于,应该保持尽可能少的单个部件的数量。

根据本发明,该目的通过一种具有权利要求1的特征的用于安全转向柱的溃缩元件来实现,其中从属权利要求描述了本发明的有益实施例。

应当指出,以下描述中单独呈现的特征和措施可以以任何技术上合理的方式相互组合并且指示本发明的其他实施例。该描述特别是结合附图进一步表征并且具体地指定本发明。

本发明提供了一种用于安全转向柱的溃缩元件。代替溃缩元件,我们也可以将其称为碰撞元件或安全元件。显然,这样的安全转向柱通常设置在机动车辆(特别是汽车)中。如上所述,安全转向柱的目的是在正面碰撞时防止转向柱或方向盘的部分被推入到驾驶舱中。

溃缩元件具有在端部轴向设置而用于连接到相邻转向柱部分的第一和第二连接部分,以及设置在其间的带孔的溃缩部分。此处的轴向方向至少在安装有溃缩元件的部分中,与在装配状态下的转向柱的延伸方向一致。轴向方向还限定了下面也提及的径向和切向。溃缩元件可以形成为在部分中在轴向方向上至少大致对称。通常,其沿着轴向方向具有最大程度的延伸或在轴向方向上伸长。在装配状态下,第一连接部分和第二连接部分用于沿轴向方向连接到两侧邻近的转向柱的其他部分。可以例如通过螺栓连接来实现相应的连接,其中相应的连接部分可以具有内部或外部螺纹和用于螺丝刀或其他工具的支撑面。通常,至少一个连接部分可以具有用于与相邻的转向柱部件形状配合连接的装置。

虽然连接部分用于连接到其他部件,但是在连接部分之间的溃缩部分在事故中首先用于促成缩短转向柱,其次用于通过变形来吸收能量。由于这个原因,溃缩部分可通过轴向作用的阈值力而变形。此处,阈值力是对应于预定的阈值的轴向作用力,预定的阈值被选择为使得在车辆的正常操作中不会被超过,而仅在作用在转向柱上的正面碰撞时会被超过。如果轴向作用力超过阈值,那么溃缩部分变形。这种变形显然包括沿轴向方向压缩溃缩部分。这是通过带孔的溃缩部分(即具有带有开口的带孔的结构)来实现的。这些开口减小了溃缩部分在轴向方向上的刚度,使得当达到或超过阈值力时,其按计划屈服。相比之下,连接部分通常主要地或完全地抵抗阈值力下的变形,即当超过阈值力时,连接部分不变形(或不以相关方式)。

根据本发明,由金属通过添加制造来整体制成溃缩元件。此处所用的术语“金属”包括含有半金属或非金属以及金属的合金。作为添加制造的一部分,通常将金属粉末分层施加到基底表面上,将其在区域中熔化并且因此结合,从而逐渐形成溃缩元件。层厚度可以在10μm到500μm之间。将第一层直接施加到基底表面上,随后将更多的层相继地上下相互施加。具体地,粉末可以通过选择性激光熔化(SLM)或选择性电子束熔化(SEBM)来结合。显然,熔化或射束效应遵循特定的模式。可以说是预定区域被加热或照射。例如,可以通过紧密聚焦的射束扫描该区域,或者一次投射特定的辐射图案。显然,有形的和短暂的射束图案可以通过要产生的溃缩元件的预定数据(例如CAM(计算机辅助制造数据)进行控制。此处的照射区域对应于物体的(大致平坦的)横截面。

使用这种添加制造方法几乎可以生产任意的三维形状,使得能够将上述三个部分制成一体,其中每个部分可以针对其功能(可靠连接到其他转向柱部件或能量吸收)而被优化,并且同时由于与初级成形相应的整体制造,可以保证部分之间的可靠连接。如下所述,以这种方式可以容易地制造例如不能通过铸造或机械加工(需要或不需要材料去除)或仅以不相称的巨大成本来生产的有益形状。通过将连接部分连接到其他部件(例如通过螺栓连接),可以容易地将溃缩元件结合到转向柱中。此外,在溃缩部分已经变形的事故之后,由于溃缩元件是一个单一部件,所以可以容易地更换溃缩元件。原则上,可以通过根据本发明的溃缩元件来实现转向柱的全部安全功能,从而可以将所需要部件的总数量保持在较低水平。然而,转向柱的其他部分还可以有助于该安全功能。

除了溃缩部分在轴向方向上的压缩之外,还设置了溃缩部分横向于轴向方向折叠或弯曲。通过这种方式,转向柱的部件可以侧向偏转,出于安全原因,在某些情况下,这可以具有优于仅仅压缩的优点。这种折叠可以特别地通过其中溃缩部分变换成连接部分之一的区域的构造来启动或影响。同样根据本发明,第一连接部分的面向溃缩部分的端部区域具有第一部分,该第一部分相对于横向于轴向方向与其相对的第二部分轴向突出。端部区域还可以指定为从第一连接部分到溃缩部分的过渡区域。在任何情况下,端部区域是连接区域终止的区域和折叠部分邻接的区域。不对称地构造该端部区域,其中第一部分轴向突出(并且溃缩部分相应地轴向凹陷),即与横向于轴向方向与第一部分相对的第二部分相比较。只要能够限定第一连接部分或整个溃缩元件的轴向延伸的中心轴线,那么第一和第二部分相对于该中心轴线彼此相对。作为该构造的结果,在溃缩部分的轴向压缩时,指定为第一部分的部件比指定为第二部分的部件更早地完全压缩。换言之,来自溃缩部分的压缩和因此的主动返回力是不对称的。这又导致溃缩部分折叠或弯曲,即在第二部分侧面的方向上折叠或弯曲。

上述第一部分的突出可以以各种方式(例如逐步地)实现。这意味着仅仅两个上述部分或者还有位于其间的另外的部分可以逐步地在轴向方向上以不同的距离突出。根据另一优选实施例,端部具有相对于轴向方向朝向溃缩部分倾斜延伸的端面。此处,除了术语“端面”,可以使用标记从第一连接部分到溃缩部分的过渡的术语“过渡面”。换言之,由于溃缩部分在此处直接地和一体地邻接,至少部分端面不对应于物理表面。所述端面相对于轴向方向倾斜(即,既不与其平行也不与其垂直)延伸,从而导致如上所述自动地产生不对称突出的第一部分。这里的端面特别可以形成为平面,尽管可以想到的是端面为弯曲的或成角度的。

为了有效地开始上述的溃缩部分的折叠,相对于轴向方向的角度不应该太大(即不应太接近90°),因为在这种情况下,第一区域将仅略微突出。而且,角度太小通常是不利的。根据有利的实施例,端面相对于轴向方向以20°至70°之间的角度(优选地在40°至50°之间的角度)延伸。特别地,该角度可以是大约45°,即在43°至47°之间,或者在44°至46°之间,最好是精确的45°。

如上所述,由于添加制造,几乎可以以任意方式彼此独立地构造各个部分。在一个实施例中,至少一个连接部分的径向外部尺寸大于溃缩部分的径向外部尺寸。此处,术语“径向外部尺寸”是指径向方向的最大延伸。在圆柱形元件的情况下,径向外部尺寸例如是外半径。也可以说,相应的连接部分在溃缩部分上径向突出或相对于其突出。这样的尺寸可以例如用于使连接部分比溃缩部分更稳定。如果变形很大,这可以防止溃缩部分横向(即横向于轴向方向)移动通过相应的连接部分。因为连接部分将难以控制溃缩部分的进一步变形,所以这可能是不利的。

通常,优选地,连接部分配置为尽可能稳定,并且与溃缩部分相比,在这种程度上也不会使连接部分中断。然而,每个连接部分可以具有位于径向内部的用于接收另一个转向柱部件的一部分的凹部。在这种情况下,凹部的内部可以包含用于形状配合连接的装置(例如内螺纹)。不管如此,优选地,至少一个连接部分具有切向和轴向闭合的护套。护套可以至少部分地具有圆柱形壳体的形式,如上所述,其中可以设置用于螺丝刀或类似物的平坦支撑面。

优选地,该溃缩部分具有围绕位于径向内侧的轴向通道开口的栅格状护套。此处的所述开口穿过溃缩部分,但不必穿过相邻的连接部分。如果连接部分的上述凹部连续地形成,那么该凹部连接到溃缩部分的开口。特别地,护套可以形成为圆柱形壳体,由此护套可以描述为内圆柱面和外圆柱面。护套是栅格状的,即护套在径向方向上具有多个通道开口。

根据一个实施例,护套具有相对于切向方向倾斜地延伸的多个相互交叉的条状部分。显然,在条状部分之间形成开口,即,条状部分彼此部分地间隔开。条状部分相对于切线方向倾斜地延伸,即条状部分的方向也具有轴向分量。特别地,条状部分可以形成为螺旋形,其中第一组条状部分沿着护套向右侧弯曲延伸,并且与第一组形成交叉区域的第二组向左弯曲延伸。因为两个条状部分由于整体制造而彼此无缝地连接,所以交叉区域的金属在某些情况下不能明确地指定为特定的条状部分。根据观点,除了围绕彼此并且彼此交叉几次的条状部分,可以考虑相应地更多数量的较短的条状部分,其中每个条状部分仅从一个交叉区域延伸到下一个交叉区域。总体而言,栅格状结构导致:在轴向扭矩下(其中扭矩的矢量为轴向定向)表现为刚性地扭转,但在轴向作用的阈值力下可被可靠地压缩。此外,可以用这种结构实现如上所述的折叠。

条状部分与切线方向的角度原则上可以假设为不同的值,并且例如可以在5°至80°之间,其中对于所有条状部分而言角度不必相同。特别地,至少一些条状部分可以与切线方向成最大20°的角度延伸。对于螺旋路径,这因而对应于相对较陡的间距。这首先加强了轴向扭矩下的扭转刚度,但其次,溃缩部分在轴向方向上更容易压缩。尽管如此,可以实现足够低的弯曲刚度,以允许上述的折叠。

在增加的扭转刚度的方面,还优选地在至少一些条状部分中,径向厚度大于轴向厚度。换言之,对应的条状部分在径向方向上比在轴向方向上形成得更厚。相应的条状部分也可以描述为或多或少地平坦。这也可以描述为条状部分的肋状结构。显然,这样可以提高扭转刚度,而不会以类似的方式增加抵抗轴向力的刚度。此外,可以以这种方式将弯曲刚度保持足够低以允许溃缩部分折叠。需要指出的是在没有添加制造的情况下,这种构造(特别是上述关于条状部分相对于切线方向成的小角度)几乎不可能实现。

附图说明

下面参考附图中示出的示例性实施例来更详细地解释本发明的进一步有利的细节和效果。图中示出:

图1是根据本发明的具有溃缩元件的安全转向柱的透视图;

图2是图1中的溃缩元件的透视图;

图3是图2中的部分溃缩元件的剖视图;

图4是沿着图2中的IV-IV线的剖视图;

图5是沿图4中的V-V线的剖视图;和

图6是处于变形状态的图1-5中的溃缩元件的透视图。

在各附图中,相同的部件总是具有相同的附图标记,因此通常仅描述一次。

具体实施方式

图1示出了用于车辆的安全转向柱10的透视图,安全转向柱10形成为具有两个万向接头11、12的成角度的转向柱。关于这些万向接头11、12,安全转向柱10可以被划分为在车辆的正常操作期间保持本身刚性的三个转向柱部分13、14、15。溃缩元件1设置在第一转向柱部分13上,并且沿着轴向方向A延伸;如此构造使得在正面碰撞时,溃缩元件1依次地首先压缩,然后折叠,从而防止安全转向柱10的部件穿入车辆的驾驶舱。当轴向作用的阈值力F(更准确地为图2、5和6所示的一对力)作用在溃缩元件1上并且因此作用在溃缩部分4上时,开始压缩和折叠。溃缩元件1在此处连接到(优选地螺栓连接到)相邻的转向柱部件16、17。

图2以透视图示出了单独的溃缩元件1。总的来说,可以看到第一连接部分2、第二连接部分3和在轴向方向A上设置在其间的溃缩部分4。用金属例如通过选择性激光熔化(SLM)来整体制成具有三个部分2、3、4的溃缩元件1。多数情况下,溃缩元件1构造成相对于轴向延伸的中心轴线M对称。此处两个连接部分2、3是十分坚固的,从图5的剖视图可以看出,每个连接部分2、3都具有带有内螺纹(未显示)的各自的内部凹槽2.2、3.2。在装配状态下,各自的内螺纹与相邻转向柱部件16、17的相应外螺纹接合。为了便于螺栓连接,在第一连接部分2的切向和轴向闭合的护套2.1上以及第二连接部分3的同样闭合的护套3.1上设置有用于螺丝刀的平坦支撑面2.3、3.3。除此之外,护套2.1、3.1形成为圆柱形。而多数情况下,连接部分2、3因此整体上闭合并且形成实体,位于其间的溃缩部分4形成为带孔的结构。溃缩部分4的形状大致为圆柱形,其外径小于两个连接部分2、3的外径。溃缩部分4具有沿轴向方向A包围内通道开口4.2的护套4.1。

特别是在图3的详细视图中示出的,护套4.1的结构可以表征为栅格状。护套4.1具有整体呈螺旋状延伸的多个条状部分4.3、4.4。此处第一组条状部分4.3以相对于切线方向为大约+15°(或相对于轴向方向A为75°)的倾斜角向右扭转,而第二组条状部分4.4以相对于切线方向为大约15°的倾斜角向左扭转。两组的条状部分4.3、4.4在交叉区域4.5中反复相交,从而形成一个接合的栅格状结构。图3示出了在交叉区域4.4中的条状部分4.3、4.4之间的分离线,然而分离线仅仅表示其走向。由于整体制造,该处不存在物理分离。

在转向期间发生的轴向扭矩下,条状部分4.3、4.4的连接也有助于溃缩部分4的实质扭转刚度。这通过相对于切线方向的相对较低的倾斜角来进一步增强,并且如图3所示,通过每个条状部分4.3、4.4的径向厚度明显大于轴向厚度来进一步增强。由于条状部分4.3、4.4及其之间存在的中间空间4.6的轴向厚度相对较小,所以可以通过在正面碰撞时超过轴向作用的阈值力F来压碎溃缩部分4。

为了在轴向压缩之外还实现溃缩部分4的折叠,第一连接部分2的面向溃缩部分4的端部区域2.4具有相对于轴向方向A倾斜地延伸的端面2.5。在本示例中,端面2.5以与轴向方向A成45°的角度延伸。因此,端部区域2.4具有相对于第二部分2.7轴向突出的第一部分2.6,第二部分2.7与第一部分2.6相对于轴向方向A横向相对。可以说,两个部分2.6、2.7彼此相对于中心轴线M相对。

在轴向作用力F的情况下,溃缩部分4最初被大致对称地压碎,但是超过特定点时,在第一部分2.6侧处的压缩接近可能的最大值,而在第二部分2.7侧处尚未如此。由于所产生的不对称的返回力,协同倾斜端面2.5,在溃缩部分4上产生导致在第二部分2.7的方向上折叠的弯曲力矩。相应的状态如图6所示。当结合图1进行观察时,结果显而易见的是,溃缩元件1和相邻的转向柱部件16、17都可横向(即横向于轴向方向A)偏转。溃缩元件1和相邻的转向柱部件16、17的横向偏转,连同导致第一转向柱部分11有效缩短的溃缩部分4的压缩,构成了可以防止安全转向柱10穿入驾驶舱的附加机构。

通过释放连接到转向柱部件16、17的螺栓,可以容易地更换如图6所示的变形的溃缩元件1。

附图标记列表:

1 溃缩元件

2、3 连接部分

2.1、3.1、4.1 护套

2.2、3.2、4.2 凹部,开口

2.3、3.3 支撑面

2.4 端部区域

2.5 端面

2.6 第一区域

2.7 第二区域

4 溃缩部分

4.3、4.4 条状部分

4.5 交叉区域

4.6 中间空间

10 安全转向柱

11、12 万向接头

13、14、15 转向柱部分

16、17 转向柱部件

A 轴向方向

M 中心轴线

F 阈值力

再多了解一些
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