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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen pyrotechnischen Gurtstraffer-Antrieb
für Gurtsysteme
in Fahrzeugen, mit einer Druckkammer, die einen zur Umgebung führenden
Düsenkörper zur
Druckentlastung aufweist.
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Solche
pyrotechnischen Gurtstraffer-Antriebe sind aus dem Stand der Technik
bekannt und können
als Drehantrieb oder als Linearantrieb ausgebildet sein. Drehantriebe
greifen gewöhnlich
an der Gurtspule eines Sicherheitsgurtaufrollers an. Linearantriebe
(siehe z.B.
DE 201 05 264 )
greifen entweder an einem Endbeschlag oder Umlenkbeschlag des Gurtbandes
an oder sind über
ein Zahnstangengetriebe an die Gurtspule des Gurtaufrollers angeschlossen.
Nach dem Straffvorgang infolge der Aktivierung derartiger pyrotechnischer
Gurtstraffer-Antriebe
wird in der Regel bei einer Bewegung des Insassen Gurtband von der
Gurtspule auf einem definierten Kraftniveau ausgegeben. Dies geschieht meist
durch einen in den Gurtaufroller integrierten Gurtkraftbegrenzer.
So kann z. B. das Kraftniveau durch die mechanischen Eigenschaften
eines Torsionsstabes eingestellt werden. Steht die Druckkammer des
pyrotechnischen Gurtstraffers zu diesem Zeitpunkt noch unter Druck,
muss zusätzlich
Komprimierungsarbeit geleistet werden, wodurch sich das durch den
Gurtkraftbegrenzer festgelegte Kraftniveau erhöht. Ein resultierendes Kraftniveau
ergibt sich aus einer Überlagerung
der aufzuwendenden Kraft für
die Komprimierungsarbeit und dem Kraftniveau des Gurt kraftbegrenzers.
Da der Druckverlauf in der Druckkammer nach einer pyrotechnischen
Verbrennung schwer vorhersagbar ist, lässt sich auch das resultierende
Kraftniveau, auf dem weiteres Gurtband ausgegeben wird, nicht mit
der erwünschten
Genauigkeit bestimmen.
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Die
bereits eingangs genannte
DE
201 05 264 offenbart zur Lösung dieses Problems ein zeitgesteuertes
Ventil zur Druckentlastung der Druckkammer. Dieses Ventil minimiert
in der Phase der Gurtkraftbegrenzung den Einfluss des pyrotechnischen Gurtstraffer-Antriebs
auf ein unerhebliches Maß. Durch
das Ventil wird der Strömungsquerschnitt
an einer Druckentlastungsöffnung
der Druckkammer sehr schnell vergrößert, wodurch der Druck in
der Druckkammer rasch abfällt.
Dieser schlagartige Druckabfall führt jedoch zu einer unerwünscht hohen mechanischen
Belastung der beteiligten Bauteile.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine kontrollierte und
variable Druckentlastung der Druckkammer zu ermöglichen.
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Erfindungsgemäß ist zur
Lösung
dieser Aufgabe bei einem pyrotechnischen Gurtstraffer-Antrieb der
eingangs genannten Art vorgesehen, dass der Düsenkörper ein Regulierungselement
aufweist. Dieses Regulierungselement bestimmt maßgeblich die Abklingkurve des
Druckes in der Druckkammer und verhindert so extreme Bauteilbelastungen
im Gurtstraffer-Antrieb.
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Das
Regulierungselement kann ein separates Bauteil sein, mit dem Vorteil,
dass der Düsenkörper mit
unterschiedlichen Regulierungselementen bestückt und somit auf einfache
Weise den gegebenen Bedingungen angepasst werden kann.
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In
einer anderen Ausführungsform
ist das Regulierungselement in den Düsenkörper integriert, wodurch die
Anzahl der Einzelbauteile des Gurtstraffer-Antriebs klein gehalten
wird.
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Vorzugsweise
wird aus Kostengründen
eine Blende als preiswertes Regulierungselement eingesetzt.
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Das
Regulierungselement ist nachträglich
an den Düsenkörper montierbar,
was eine Nachrüstung bestehender
Gurtstraffer-Antriebe ermöglicht.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
weisen verschiedene Regulierungselemente eine unterschiedlich große Öffnung zum
Steuern einer Druckabklingkurve der Druckkammer auf. Somit ist bei
gleichem Düsengrundkörper eine
Variation der Abströmgeschwindigkeiten
möglich.
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In
dieser Ausführungsform
ist die Druckabklingkurve unabhängig
von einem Öffnungszeitpunkt des
Düsenkörpers einstellbar.
Da also ein Bauteil genau eine interessante Kenngröße steuert
und keine weitere beeinflusst, können
komplizierte Interaktionen vermieden werden.
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In
einer Ausführungsform
ist das Regulierungselement dem Düsenkörper vorgeschaltet mit dem
Vorteil, dass bei den hohen auftretenden Drücken eine relativ einfache
Lagesicherung möglich
ist.
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In
einer anderen Ausführungsform
ist das Regulierungselement dem Düsenkörper nachgeschaltet. Dies hat
den Vorteil, dass eine problemlosere Nachrüstung bestehender Gurtstraffer-Antriebe durchführbar ist.
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Ein
weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist die Tatsache, dass
der erfindungsgemäße Gurtstraffer-Antrieb
universell bei allen denkbaren pyrotechnisch betriebenen Straffern
einsetzbar ist. So kann der Gurtstraffer-Antrieb mit einem Gurtaufroller,
einem Gurtschloss oder einem Endbeschlag gekoppelt sein und ebenso
einen Band- oder Kugelstraffer antreiben.
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Der
Vorteil einer weiteren bevorzugten Ausführungsform besteht darin, dass
die Druckentlastung je nach den gegebenen Einbaubedingungen an einer
nahezu beliebigen Stelle des Gurtstraffer-Antriebs erfolgen kann.
Der Düsenkörper kann
z.B. bei einem Linearantrieb mit einer Kolben/Zylinderbauweise an
einem, der pyrotechnischen Ladung entgegengesetzten Ende des Kolbens
angebracht sein oder seitlich, im Bereich einer Zahnstange des Kolbens.
Der Düsenkörper kann
ferner an einem Ende der Druckkammer angebracht sein, an dem sich
auch die Ladung befindet, und über
einen Verschlussstopfen oder einen pyrotechnischen Generator mit
der Umwelt in Verbindung stehen. Alternativ kann der Düsenkörper seitlich
an einem Gehäuse
des Gurtstraffers angebracht sein und über einen Druckentlastungskanal
mit der Druckkammer in Verbindung stehen. In einer weiteren bevorzugten
Ausführungsform
ist der Düsenkörper seitlich
an der Druckkammer angebracht.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
und aus der beigefügten
Zeichnung, auf die Bezug genommen wird. In der Zeichnung zeigt:
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1 einen
Schnitt eines Gurtstraffer-Antriebs für einen Gurtaufroller in der
Ausgangsstellung;
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2 ein
Diagramm, das den Druckverlauf in der Druckkammer und den Verlauf
der resultierenden Kraft eines Gurtkraftbegrenzers über der
Zeit abbildet für
den Fall einer Öffnung
des Düsenkörpers vor
der Kraftbegrenzung;
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3 ein
Diagramm, das den Druckverlauf in der Druckkammer und den Verlauf
der resultierenden Kraft eines Gurtkraftbegrenzers über der
Zeit abbildet für
den Fall einer Öffnung
des Düsenkörpers während der
Kraftbegrenzung;
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4 den
Gurtstraffer-Antrieb aus 1 nach dem Zünden der pyrotechnischen Ladung;
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5 einen
Querschnitt durch einen Kolben des Gurtstraffer-Antriebs auf Höhe eines
vorgeschalteten Regulierungselements;
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6 einen
Längsschnitt
durch einen Teil des Kolbens aus 5;
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7 einen
Längsschnitt
eines Schloss- oder Endbeschlagstraffers in unterschiedlichen Stellungen;
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8 ein
Detail des Längsschnitts
aus 7
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9 einen
schematischen Schnitt durch einen Bandstraffer; und
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10 einen
schematischen Schnitt durch einen Kugelstraffer.
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Ein
in 1 gezeigter Gurtstraffer-Antrieb wird seitlich
an einen (nicht gezeigten) Gurtaufroller angesetzt. Der Gurtstraffer-Antrieb
hat ein flaches Gehäuse 10 aus
Kunststoff mit einer dieses in Längsrichtung
durchsetzenden zylindrischen Bohrung 12, in die ein metallisches
Zylinderrohr 14 eingesetzt ist. In dem Zylinderrohr 14 ist
ein hohler Kolben 16 aufgenommen. Der hohle Kolben 16 begrenzt
in seinem Inneren eine Druckkammer 18, an deren einem axialen
Ende eine pyrotechnische Ladung 20 angeordnet ist. An dem
gegenüberliegenden
axialen Ende weist der Kolben 16 eine Stirnwand 22 mit
einer Druckentlastungsöffnung 24 auf.
In diese Druckentlastungsöffnung 24 ist
ein Düsenkörper 26 eingesetzt.
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Der
Kolben 16 trägt
an seiner Mantelfläche eine
axiale Zahnstange 28, die mit einem Ritzel 30 in Kämmeingriff
steht, das in dem Gehäuse 10 drehbar gelagert
ist und drehfest mit einem Zahnrad 32 verbunden ist. Das
Zahnrad 32 seinerseits steht mit einem (in 1 nicht
gezeigten) Ritzel in Kämmeingriff,
das drehfest mit einer gleichfalls im Gehäuse 10 gelagerten
Kupplungshülse 34 gekoppelt
ist. Die Kupplungshülse 34 ist
Bestandteil einer durch ein Klemmrollengesperre gebildeten Kupplung,
die an einem axialen Antriebsfortsatz 36 einer (nicht gezeigten)
Gurtspule des Gurtaufrollers angreift. Bei Aktivierung der pyrotechnischen
Ladung 20 wird der hohle Kolben 16 in dem Zylinderrohr 14 durch
den Druck in der Druckkammer 18 angetrieben. Dadurch wird das
Ritzel 30 in Drehung versetzt; es treibt über das Zahnrad 32 und
das damit in Eingriff stehende Ritzel die Kupplungshülse 34 an,
so dass über
ein Klemmgesperre der Kupplung letztlich der Antriebsfortsatz 36 der
Gurtspule angetrieben wird.
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Bei
der herkömmlichen
Ausführung
des Gurtstraffer-Antriebs ist die Druckentlastungsöffnung 24 in
der Stirnwand 22 des Kolbens 16 z. B. durch eine
Berstscheibe abgedeckt, die eine kleine Durchgangsöffnung aufweist.
Bei dem erfindungsgemäßen Gurtstraffer-Antrieb
ist in die Druckentlastungsöffnung 24 hingegen
der Düsenkörper 26 mit
einem dem Düsenkörper vor-
oder nachgeschal teten Regulierungselement 27 eingesetzt.
Die durch den Düsenkörper 26 und
das Regulierungselement 27 des Gurtstraffer-Antriebs erreichten
Wirkungen sind in 2 und 3 veranschaulicht.
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Die 2 zeigt
ein Diagramm, bei dem auf der Ordinate die Gurtkraft F und der Druck
p in der Druckkammer 18 gegen die Zeit t aufgetragen sind. Zum
Zeitpunkt t0 wird die pyrotechnische Ladung 20 gezündet, woraufhin
der Druck p und leicht zeitversetzt auch die Kraft F ansteigen.
Ohne den Einsatz des bekannten Düsenkörpers 26 würde sich
ein in 2 gestrichelt dargestellter Druck- bzw. Kraftverlauf
ergeben. Zu einem Zeitpunkt t1 öffnet sich
der Düsenkörper 26.
Die damit einsetzende Druckentlastung wird durch das Regulierungselement 27 gesteuert
und ist bis zu einem Zeitpunkt t2 weitgehend
abgeschlossen (durchgezogene Linie in 2). Die
Kraft F ist bis zum Zeitpunkt t2 noch nicht über das
Kraftniveau des Gurtkraftbegrenzers gestiegen und verbleibt daher
auch im weiteren recht konstant im Bereich des Kraftniveaus, das
mit dem Gurtkraftbegrenzer bestimmt wird.
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In
dem Diagramm der 3 sind, wie in 2,
auf der Ordinate die Gurtkraft F und der Druck p in der Druckkammer 18 gegen
die Zeit t aufgetragen. Zu einem Zeitpunkt t1 hat
sich der erfindungsgemäße Düsenkörper 26 mit
Regulierungselement 27 geöffnet, und der Strömungsquerschnitt
des Düsenkörpers 26 ist
bereits so groß,
dass die Steuerung der Druckentlastung vom Regulierungselement 27 übernommen
wird. Je nach Größe der Öffnung im
Regulierungselement 27 ergibt sich eine steilere oder flachere
Druckabklingkurve. In der 3 deuten
Pfeile auf drei mögliche
Druckabklingkurven hin, die entsprechenden Kraftverläufe sind
in derselben Strichart wie die zugehörigen Druckabklingkurven eingezeichnet.
Die gepunktete Linie weist auf einen raschen Druckabfall und damit
auf eine große Öffnung im
Regulierungselement 27, die durchgezogene Linie auf einen
langsamen Druckabfall und damit auf ein kleine Öffnung im Regulierungselement 27 hin.
Im Gegensatz zur 2 hat die Kraft F zum Zeitpunkt
t1 bereits das Kraftniveau des Gurtkraftbegrenzers überschritten.
Unter Einsatz eines geeigneten Regulierungselements 27 kann
ein gewünschter
degressiver Kraftverlauf erreicht werden. Die Druckkammer 18 wirkt also
zwischen den Zeitpunkten t1 und t2 wie ein degressiver Kraftbegrenzer, der
durch den Düsenkörper 26 und
das Regulierungselement 27 optimal an einen Fahrzeugimpuls
angepasst werden kann. Zu einem Zeitpunkt t2 ist
der Vorgang der Druckentlastung der Druckkammer 18 weitgehend
abgeschlossen. Der Gurtkraftbegrenzer bestimmt ab diesem Zeitpunkt
das Kraftniveau im wesentlichen alleine.
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4 stellt
den Gurtstraffer-Antrieb aus 1 nach dem
Zünden
der Ladung 20 dar. Der Kolben 16 hat sich bereits
ein Stück
nach oben bewegt. Der Düsenkörper 26 inklusive
dem Regulierungselement 27 ist an einem der pyrotechnischen
Ladung 20 entgegengesetzten Ende des Kolbens 16 eingebaut. Des
weiteren wird durch Pfeile schematisch auf alternative Einbauorte
des Düsenkörpers 26 hingewiesen.
Mit Bezug auf 4 werden folgende Einbauorte
gezeigt:
- – seitlich
im Bereich der Zahnstange 28 des Kolbens 16,
- – seitlich
am Gehäuse 10 des
Gurtstraffers, wobei der Düsenkörper 26 über einen
Druckentlastungskanal 38 mit der Druckkammer 18 in
Verbindung steht,
- – an
dem Ende der Druckkammer 18, an dem sich auch die Ladung 20 befindet,
wobei der Düsenkörper 26 über einen
Verschlussstopfen 39 der Druckkammer 18 mit der
Umwelt in Verbindung steht, oder
- – seitlich
an der Druckkammer 18.
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5 und 6 zeigen
einen Querschnitt bzw. Längsschnitt
durch einen Teil des Kolbens 16 aus 1, wobei
der Querschnitt auf Höhe
des vorgeschalteten Regulierungselementes 27 (siehe 6)
vorgenommen wurde. In 6 ist der Düsenkörper 26 dargestellt,
der einen herkömmlichen
Ventilkörper 40 und
ein bekanntes Schmelzelement 42 umfasst. Ferner weist der
Düsenkörper 26 das
Regulierungselement 27 auf, das an zwei alternativen Einbauorten
dargestellt ist. Unterhalb des Düsenkörpers 26 ist
das Regulierungselement 27 in Form einer vorgeschalteten
Blende zu sehen, am oberen Ende des Düsenkörpers 26 ist das Regulierungselement 27 in Form
einer dem Düsenkörper 26 nachgeschalteten Blende
dargestellt. Beide alternative Blenden weisen einen Abströmquerschnitt
A (vgl. auch 5) auf.
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Nach
der Zündung
der pyrotechnischen Ladung 20 zum Zeitpunkt t0 liegt
der Druck P zunächst am
Schmelzelement 42 an. Ist der Strömungsquerschnitt des Schmelzelements 42 zum
Zeitpunkt t1 größer als der Abströmquerschnitt
A der Blende 27, so wird im weiteren die Druckentlastung
von der Blende 27 gesteuert.
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Die 7 bis 10 zeigen
exemplarisch die zahlreichen Anwendungsmöglichkeiten und verschiedenen
Einbauorte des erfindungsgemäßen pyrotechnischen
Gurtstraffer-Antriebs bei bekannten Gurtstraffersystemen.
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In 7 ist
ein Längsschnitt
eines Schloss- oder Endbeschlagstraffers dargestellt. Dabei zeigt 7a den Schloss- oder Endbeschlagstraffer
in einer Grundstellung, 7b den Schloss-
oder Endbeschlagstraffer nach einer Straffung und 7c den Schloss-
oder Endbeschlagstraffer nach einer Kraftbegrenzung. Der Einbauort
des Düsenkörpers 26 ist jeweils
schematisch dargestellt.
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8 zeigt
den Anbau des Düsenkörpers 26 an
dem Schloss- oder Endbeschlagstraffer im Detail. Wichtig ist dabei,
dass der Düsenkörper 26 sowohl mit
der unter Atmosphärendruck
stehenden Umgebung, als auch mit der Druckkammer 18 in
Verbindung steht.
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9 zeigt
schematisch den Einbau des erfindungsgemäßen pyrotechnischen Gurtstraffer-Antriebs
in einem Bandstraffer. Der Bandstraffer umfasst dabei eine Achse 44,
den Gurtstraffer-Antrieb und ein zunächst aufgewickeltes Stahlband 46.
Nach Aktivierung des Antriebs durch einen pyrotechnischen Generator 48 verformt
sich das Stahlband 46 (gestrichelt dargestellt). Der Düsenkörper 26 ist
hier seitlich an der Druckkammer 18 angebracht.
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Der
Einbau eines erfindungsgemäßen pyrotechnischen
Gurtstraffer-Antriebs ist auch bei einem Kugelstraffer möglich. 10 zeigt
schematisch den Aufbau eines Kugelstraffers mit erfindungsgemäßen Antrieb.
Der Kugelstraffer umfasst einen Kugelauffangbehälter 50, eine Achse 52,
Kugeln oder ähnliche
Schubele mente 54, den pyrotechnischen Generator 48 sowie
die Druckkammer 18, an der seitlich der Düsenkörper 26 mit
dem Regulierungselement 27 angebracht ist.