Mit
der
EP 1 495 926 A1 ist
eine Sicherheitsgurt-Vorrichtung für Kraftfahrzeuge bekannt geworden,
die einen Sicherheitsgurt, einen Gurtaufroller, sowie einen elektromotorischen
Antrieb für
den Aufroller aufweist. Der Elektromotor ist mit einem mechanischen
Energiespeicher gekoppelt, wobei der Motor in Abhängigkeit
von einem Ansteuersignal wahlweise entweder in einem vom Gurtaufroller
entkoppelten Speichermodus zum Füllen
des Energiespeichers oder in einem Aufwickelmodus des Gurtaufrollers
betreibbar ist. Im Aufwickelmodus ist der Elektromotor gleichfalls
mit dem Energiespeicher gekoppelt, so dass dieser zusammen mit dem
eingeschalteten Elektromotor gemeinsam ein Drehmoment auf den Gurtaufroller übertragen.
Dabei ist das eine Ende des als Spiralfeder ausgebildeten Energiespeichers
ständig
starr mit dem Gehäuse
verbunden, während
das andere innere Ende ständig
mit dem Elektromotor wirkverbunden ist. Dies hat den Nachteil, dass
beim Entladen des Energiespeichers zum Betätigen des Gurtstraffers die
gesamte träge
Masse des Elektromotors mit beschleunigt werden muss, wodurch das
System relativ träge
wird.
Vorteile der Erfindung
Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
und das erfindungsgemäße Verfahren
mit den Merkmalen der unabhängigen
Ansprüche
haben den Vorteil, dass aufgrund der wahlweisen Kopplung des Energiespeichers
entweder mit dem drehfesten Gehäuse
oder mit der Gurtrolle die Energie des Energiespeichers beim Betätigen des
Gurtstraffers unabhängig
vom Bewegungszustand des Elektromotors übertragen werden kann. Da im
Auslösefall
des Gurtstraffers beispielsweise während oder vor eines Crashs,
das elektrische Bordnetz des Fahrzeugs durch andere Verbraucher
hoch belastet ist (beispielsweise ABS, Lenkung, Schiebedach, Scheiben,
Pedalverstellung, Sitzverstellung, Airbag) ist es von Vorteil, dass
zur Betätigung
des Gurtstraffers kein zusätzlicher
Elektromotor aktiviert werden muss. Dabei kann der Energiespeicher
derart ausgelegt werden, dass dieser ohne Unterstützung eines
motorischen Antriebs den Gurtstraffer ausreichend schnell betätigt, da
keine unnötigen
Massen beschleunigt werden müssen.
Da das Vorspannen zur Aufladung des Energiespeichers über einen
längeren
Zeitraum erfolgen kann, kann günstiger
Weise ein motorischer Antrieb mit relativ geringer Leistung verwendet
werden.
Durch
die in den Unteransprüchen
ausgeführten
Merkmale sind vorteilhafte Weiterbildungen der Vorrichtung nach
den unabhängigen
Ansprüchen möglich. Wird
als Energiespeicher eine Wickelfeder verwendet, kann über deren
Federkonstante eine bestimmte Vorspannung eingestellt werden, die über einen
großen
Drehwinkelbereich nahezu konstant bleibt. Eine solche Wickelfeder
kann über
den gehäusefesten
Motor sehr einfach vorgespannt werden, wobei beispielsweise das äußere Ende
der spiralförmigen
Wickelfeder gegenüber
einem inneren fixierten Ende verdreht wird.
In
der bevorzugten Ausführung
ist am zweiten Ende der Wickelfeder drehfest eine Schiebemuffe angeordnet,
die zum Vorspannen des Energiespeichers im Ruhezustand das zweite
Ende gegenüber dem
Gehäuse
fixiert.
Soll
der Gurtstraffer aktiviert werden, kann der Energiespeicher durch
das axiale Verschieben der Schiebemuffe sehr schnell von der Sperrung durch
das Gehäuse
gelöst
werden und mit der Gurtrolle verriegelt werden, um diese sehr schnell
in Drehung zu versetzen.
Um
den Bauraum der Sicherheitsgurt-Vorrichtung zu reduzieren, ist die
Schiebemuffe radial innerhalb des Energiespeichers angeordnet, so
dass dieser axial unmittelbar benachbart zur Gurtrolle angeordnet
werden kann. Dabei ist beispielsweise das innere Ende der Wickelfeder
drehfest mit der hülsenförmigen Schiebemuffe
verbunden.
Von
Vorteil ist es, die Schiebemuffe zum Aktivieren des Gurtstraffers
mittels einem oder mehreren Aktoren axial zu verschieben. Dabei
eignen sich besonders Hubmagneten, Piezzoelemente, Formgedächtnis-Elemente
oder kleine Spindelantriebe, die in sehr kleiner Bauform ausgeführt werden
können und
elektrisch sehr schnell angesteuert werden können. Dabei benötigen solche
Aktoren nur einen Bruchteil der Leistung eines Elektromotors zum
Vorspannen des Energiespeichers oder zum direkten Betätigen des
Gurtstraffers.
Damit
die Schiebemuffe im Auslösefall
des Gurtstraffers den Energiespeicher schnell und zuverlässig mit
der Gurtrolle koppelt, ist das Ausrückelement des Aktors derart
ausgeformt, dass dessen Reibung gegenüber der Anlagefläche der
Schiebemuffe möglichst
gering gehalten wird. Beispielsweise ist die Spitze des Ausrückelements
kugelförmig
ausgebildet, so dass der Verschleiß zwischen dieser und der Anlagefläche minimiert
wird.
Um
die Energie des Energiespeichers im Auslösefall schnell und zuverlässig in
eine Drehung der Gurtrolle umzusetzen, ist auf der Welle der Gurtrolle
eine Verzahnung angeformt, die direkt in eine korrespondierende
Verzahnung der Schiebemuffe eingreift. Durch entsprechende axiale
Führungen
ist gewährleistet,
dass die beiden Verzahnungen in jeder Lage sicher ineinander einschiebbar
sind.
Zur
Verriegelung mit dem Gehäuse
im Ruhezustand des Gurtstraffers weist die Gurtmuffe Ausformungen
auf, die im Ruhezustand einen Formschluß mit den Verriegelungselementen
des Gehäuses
bilden. Diese Verriegelung wird vorteilhaft von Federelementen unterstützt, die
die Schiebemuffe gegen das Gehäuse
pressen. Dadurch müssen
die Aktoren nur in eine Richtung zum Auslösen des Gurtstraffers betätigbar sein.
Für den Einsatz
im Kraftfahrzeug ist es günstig,
wenn als Motor zum Aufladen des Speichers ein Elektromotor verwendet
wird, der beispielsweise über
ein Schneckengetriebe das Antriebsrad des Energiespeichers antreibt.
Wird hierbei ein selbsthemmendes Schneckengetriebe verwendet, ist über den Elektromotor
das eine Ende des Energiespeichers gegenüber dem Gehäuse mechanisch fixiert.
Das
Antriebsrad ist einerseits drehfest mit dem Energiespeicher verbunden,
und andererseits drehbar auf der Welle der Gurtrolle gelagert. Dadurch kann
der Energiespeicher seine Energie in eine Drehung der Gurtrolle
umsetzen, ohne dass sich der Elektromotor mitdreht. Dabei wird die
Welle über
deren Verzahnung mit der Schiebemuffe direkt vom Energiespeicher
angetrieben, wobei sich die Welle im Antriebsrad dreht, das durch
den stillstehenden Elektromotor an einer Drehung gehindert wird.
Durch
das erfindungsgemäße Verfahren
zur Betätigung
des Gurtstraffers wird bei Eintreten eines Crashes das elektrische
Bordnetz im Kraftfahrzeug weniger beansprucht. Da der Energiespeicher
zu einem Zeitpunkt aufgeladen wird, an dem das Bordnetz weniger
belastet ist, steht diese Energie zum schnellen Straffen des Gurts
im Crashfall zur Verfügung. Dabei
muss während
des Crashverlaufs oder unmittelbar vor dem Crash für den Gurtstraffer
kein Elektromotor aktiviert werden, da die Energie bei entkoppelten
Motor ausschließlich
vom Energiespeicher zur Verfügung
gestellt wird.
Für eine schnell
Energieübertragung
vom Energiespeicher auf die Gurtrolle ist es von Vorteil, wenn der
Energiespeicher als Wickelfeder mit zwei Enden ausgebildet ist,
dessen eines Ende mittels einer Schiebemuffe entweder formschlüssig mit
dem Gehäuse
oder aber formschlüssig
mit der Welle der Gurtrolle verbunden werden kann.
In 1 ist
schematisch ein Sicherheitsgurt-Vorrichtung 10 dargestellt,
bei der eine Gurtrolle 12 zum Aufrollen eines Sicherheitsgurts 14 und
eine Gurtfeder 16 mit integrierter Gurtsperre 18 innerhalb eines
Gehäuses 20 angeordnet
sind. Dabei ist die Gurtrolle 12 auf einer Welle 22 befestigt,
die beispielsweise mittels Wälzlager 24 im
Gehäuse 20 gelagert
ist. Dieser in 1 dargestellte linke Teil der Sicherheitsgurt-Vorrichtung 10 entspricht
der Ausführung
eines herkömmlichen
Sicherheitsgurts ohne Gurtstraffer. Die rechte Seite der 1 zeigt
einen Gurtstraffer 30, der beim Auftreten eines Crashs über die
Welle 22 die Gurtrolle 12 schnell in Drehung versetzt
wird, um den Sicherheitsgurt 14 zu straffen, damit der
Fahrzeuginsasse während
des Crashverlaufs möglichst
fest am Fahrzeugsitz angebunden bleibt. Hierzu weist der Gurtstraffer 30 als
mechanischen Energiespeicher 32 eine Wickelfeder 34 auf,
die über ein
starres Zwischenbauteil 36 drehfest mit einem Antriebsrad 38 verbunden
ist, das wiederum drehbar auf der Welle 22 gelagert ist.
Der Energiespeicher 32 ist beispielsweise als spiralförmiges Federband 34 mit
einem ersten Ende 40 am äußeren Umfang und einem zweiten
Ende 42 ausgebildet, das an einer inneren zentralen Aussparung 44 des
Energiespeichers 32 angeordnet ist. Innerhalb der zentralen
Aussparung 44 ist eine Schiebemuffe 46 drehfest
gegenüber
dem zweiten inneren Endbereich 42 des Energiespeichers 32 angeordnet.
Die Schiebemuffe 46 ist gleichzeitig über eine axiale Führung 48 entlang
der Axialrichtung 50 der Welle 22 gegenüber dem
Energiespeicher 32 verschiebbar. An der Schiebemuffe 46 ist
eine Profilierung 52 ausgeformt, in die Verriegelungselemente 54 des
Gehäuses 20 eingreifen, um
ein Verdrehen der Schiebemuffe 46 gegenüber dem Gehäuse 20 zu verhindern.
Des Weiteren weist die Schiebemuffe 46 eine Gegenverzahnung 56 auf, die
nach dem axialen Verschieben der Schiebemuffe 46 in eine
korrespondierende Verzahnung 58 der Welle 22 greift.
Die Verzahnung 58 der Welle 22 ist im Ausführungsbeispiel
als Stirnverzahnung, 59 ausgeführt, die Gegenverzahnung 56 der
Schiebemuffe 46 als korrespondierende Hohlradverzahnung 57.
Dabei weisen die Verzahnung 58 und/oder die Gegenverzahnung 56 eine
entsprechende Formgebung auf, die in jeder Drehlage axial ineinanderfügbar ist.
(Beispielsweise in Form einer Kegelverzahnung). Am Gehäuse 20 sind
beispielsweise zwei Aktoren 60 angeordnet, die jeweils
ein Ausrückelement 62 aufweisen,
mit der die Schiebemuffe 46 in Axialrichtung 50 verstellt
werden kann. Dabei liegt das Ausrückelement 62 mit seiner
reibungsoptimiert geformten Spitze 64 an einer glatten
gegenüberliegenden
Stirnfläche 66 der
Schiebemuffe 46 an. Die Aktoren 60 sind beispielsweise
als Hubmagneten, Formgedächtnis-Elemente,
Piezzoelemente oder kleine Spindelantriebe ausgebildet, die im Auslösefall elektrisch
aktiviert werden können.
Damit die Aktoren 60 nur beim Auslösen des Gurtstraffers 30 eine
Stellkraft in eine Richtung aufbringen müssen, sind zwischen der Schiebemuffe 46 und
dem Gehäuse 20 Federelemente 68 angeordnet,
die die Schiebemuffe 46 gegen die Verriegelungselemente 54 pressen.
In 2 sind
diese Federelemente 68 beispielsweise als Zugfedern 69 ausgebildet,
die die Schiebemuffe 46, gegebenenfalls mit dem Ausrückelement
zum Gehäuse 20 hinziehen.
In 2 ist des weiteren als Motor 70 ein Elektromotor 71 dargestellt, der
beispielsweise am Gehäuse 20,
oder an einem Karosserieteil 72 angeordnet ist, an dem
das Gehäuse 20 befestigt
ist. Der Motor 70 ist hier über ein Schneckengetriebe 74 mit
dem Antriebsrad 38 wirkverbunden. Dabei weist das Schneckengetriebe 74 eine
Selbsthemmung auf, damit über
das Zwischenbauteil 36 der äußere erste Bereich 40 des
Energiespeichers 32 drehfest gegenüber dem Gehäuse 20, bzw. der Karosserie 72 gehalten
wird, um die Vorspannung des Energiespeichers 32 aufrecht
zu erhalten. In einer alternativen Ausführung ist anstelle des selbsthemmenden
Schneckengetriebes 74 der Motor 70 mit einer Lastdrehmomentsperre
gekoppelt, wobei dann der Motor 70 über ein Getriebe mit möglichst
hohem Wirkungsgrad mit dem Antriebsrad 38 verbunden ist.
Zur
erfindungsgemäßen Betätigung des Gurtstraffers 30 wird
der Energiespeicher 32 über das
Antriebsrad 38 motorisch aufgeladen, bis sich eine vorgebbare
Vorspannung einstellt. Dabei ist der zweite Endbereich 42 des
Energiespeichers 32 über die
Schiebemuffe 46 und die Verriegelungselemente 54 bezüglich einer
Drehung gegenüber
dem Gehäuse 20 gesichert.
Der erste Endbereich 40 des Energiespeichers 32 ist über das
Antriebsrad 38 und den abtriebsseitig sperrenden Motor 70 gegen
ein Verdrehen bezüglich
des Gehäuses 20,
bzw. der Karosserie 72 gesichert. Dieser Ruhezustand entspricht dem
Normalzustand des Gurtstraffers 30 und ist in 1 dargestellt.
Da der Energiespeicher 32 praktisch die ganze Zeit unter
hoher Vorspannung steht, sind die im Kraftfluss liegenden Bauteile
und Formschlüsse 52, 54 entsprechend
dieser Dauerbelastung ausgelegt. Im Ruhezustand ist die Schiebemuffe 46 von
der Welle 22 der Gurtrolle 12 entkoppelt, so dass
diese sich ungestört
mit den Bewegungen des Fahrzeuginsassen drehen kann. Wird nun ein
Crashfall erkannt, werden die Aktoren 60 aktiviert und
verschieben die Schiebemuffe 46 axial gegenüber dem Energiespeicher 32,
bis ein Formschluss mit der Verzahnung 58 der Welle 22 hergestellt
ist. Dabei löst sich
die Verriegelung zwischen den Verriegelungselementen 54 und
er Profilierung 52, so dass die Energie des Energiespeichers 32 sofort
in eine Drehbewegung der Welle 22 umgesetzt wird. In diesem
in 2 dargstellten aktiven Zustand des Gurtstraffers 30 bleibt
das erste Ende 40 des Energiespeichers 32 über den
Motor 70 gegenüber
dem Gehäuse 20 drehfest gesichert,
während
der zweite Endbereich 42 vom Gehäuse 20 entkoppelt,
und mit der Verzahnung 58 der Welle 22 gekoppelt
eine schnelle Drehbewegung ausführt.
Da die Welle 22 drehbar im Antriebsrad 38 gelagert
ist, dreht der Motor 70 während der Betätigung des
Gurtstraffers 30 nicht mit. Nachdem der Energiespeicher 32 komplett
entspannt ist, werden die Aktoren 60 deaktiviert, wodurch
die Schiebemuffe 46 beispielsweise aufgrund der Federelemente 68 wieder
mit dem Gehäuse 20 verriegelt
wird. Jetzt kann über
den Motor 70 der Energiespeicher 32 wieder aufgeladen
werden, womit der Gurtstraffer 30 wieder für den nächsten Betätigungsfall
zur Verfügung
steht.