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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren
zur Steuerung eines Drehmoments und insbesondere in einer speziellen
Ausgestaltung eine Sicherheitsgurt-Vorrichtung, bei welcher eine
derartige Vorrichtung und ein derartiges Verfahren zur Steuerung
eines Drehmoments implementiert sind.
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Es
ist allgemein bekannt, dass Vorrichtungen und Verfahren zur Steuerung
eines Drehmoments eines Abtriebs- bzw. Ausgangselements, an welchem unter
Umständen
externe Kräfte
angreifen, nur mittels teurer Drehmomentsensoren bewerkstelligt
werden können.
Darüber
hinaus können
die von diesen Drehmomentsensoren erfassten Signale nur durch eine
aufwendige Elektronik bzw. Steuerung verarbeitet werden. Dies gestaltet
derartige Vorrichtungen für einfache
Anwendungsfälle
als zu kompliziert und daher zu teuer.
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Ein
Beispiel für
einen derartigen Anwendungsfall, wobei jedoch die vorliegende Erfindung nicht
ausschließlich
auf diesen Anwendungsfall beschränkt
sein soll, betrifft eine Sicherheitsgurt-Vorrichtung.
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Bei
einer derartigen Sicherheitsgurt-Vorrichtung greift über den
Sicherheitsgurt an einer Gurtrolle eine externe Kraft an, welche
in Abhängigkeit
gewisser Fahrzeugzustände
gezielt beeinflusst werden soll. Hierfür ist es notwendig, das an
der Gurtrolle angreifende Drehmoment einerseits zu jedem Zeitpunkt genau
erfassen und andererseits gezielt ansteuern zu können.
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Sicherheitsgurt-Vorrichtungen,
welche eine Aufrollautomatik, beispielsweise über einen Rückholfedermechanismus, beinhalten,
arbeiten mit den unterschiedlichsten Subsystemen zusammen, wie beispielsweise
einem Mechanismus zur Gurtwegbegrenzung oder einem Mechanismus zur
Gurtstraffung für
den Fall eines kritischen Fahrzeugzustands, wie bei einem Unfall,
die beispielsweise mechanisch oder pyrotechnisch ausgelegt sein
können.
Darüber hinaus
sind in einer Sicherheitsgurt-Vorrichtung Mechanismen integriert,
welche die Gurtlose minimieren.
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Um
diese diversen Zusatzfunktionen zu verwirklichen, ist es aus dem
Stand der Technik allgemein bekannt, in den Sicherheitsgurt-Vorrichtungen Elektromotoren
zu integrieren, welche gegebenenfalls über ein Getriebe die Gurtrolle
ansteuern können.
Beispielsweise ist aus der Deutschen Offenlegungsschrift
DE 41 12 620 A1 eine
Aufwickelvorrichtung für
Sicherheitsgurte offenbart, bei welcher ein Elektromotor die Vorspannung
der für
das Aufrollen des Sicherheitsgurts vorgesehenen Aufwickelfeder ansteuert,
um beim Aufziehen des Sicherheitsgurts die Vorspannung zu erhöhen und
bei einem angelegten Gurt die Vorspannung zu verringern.
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Die
Verwendung eines Elektromotors, welcher die Vorspannung der Rückholfeder
einer Sicherheitsgurt-Vorrichtung beeinflusst, ist beispielsweise auch
aus der
Deutschen
Patentschrift 197 31 689 C2 bekannt. Die Motorwelle eines
Elektromotors wirkt über
ein Stellglied auf eine Rückholfeder
ein mit dem Ziel, die Federkraft bei einem angelegten Gurt zu verringern. Über unterschiedliche
schaltbare Getriebezustände
eines zwischen dem Motor und der Gurtrolle geschalteten Getriebes
werden darüber
hinaus die Funktionen der Gurtkraftbegrenzung und der Gurtbandstraffung
gezielt ausgewählt
und über
den Motor eingestellt.
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Nachteilig
ist bei der aus dieser Druckschrift bekannten Sicherheitsgurt-Vorrichtung neben
dem komplizierten konstruktiven und raumintensiven Aufbau der Mangel
einer zuverlässigen
Drehmomentsteuerung der Gurtrolle. Dies könnte zwar unter Unterständen durch
Messen des Motorstroms erfolgen, lässt sich aber gerade bei der
in dieser Druckschrift offenbarten Vorrichtung nicht in der Praxis
umsetzen, da die Hysteresemomente, welche insbesondere in dem darin
zur Anwendung kommenden Getriebe sehr groß sind, nicht fehlerfrei kompensiert
werden können.
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Allgemein
treten die Probleme einer fehlerbehafteten Drehmomentsteuerung bei
allen Vorrichtungen auf, bei denen das an einem Abtriebselement oder
einer Ausgangswelle jeweils vorherrschende Drehmoment entweder während des
Drehvorgangs oder vor dem Drehvorgang durch Bereitstellen eines gezielten
Haltemoments beeinflusst werden sollen.
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Aus
der
DE 102 57 326
A1 ist ein Gurtaufroller bekannt, der eine Aufwickelfeder
aufweist. Ein End der Aufwickelfeder ist an der Gurtspule befestigt, und
das andere Ende der Aufwickelfeder ist an einem Rad befestigt, das
von einem Elektromotor verstellt werden kann. Auf diese Weise kann
die Federkraft der Aufwickelfeder so eingestellt werden, dass sie eine
gewünschten
Federkennlinie entspricht.
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Ausgehend
von den im Zusammenhang mit dem obigen Stand der Technik geschilderten
Problemen ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung
und ein Verfahren zur Steuerung eines Drehmoments bereitzustellen,
mit Hilfe von welchen das Drehmoment sowohl statisch als auch dynamisch
beeinflussbar ist, wobei eine sehr einfache Mechanik einerseits
und eine einfache, robuste Steuerung andererseits zum Einsatz kommen
soll.
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Des
Weiteren ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Sicherheitsgurt-Vorrichtung für ein Kraftfahrzeug
bereitzustellen, mit Hilfe von welcher ein gezielter Einfluss auf
die Gurtkraft mittels einer solchen einfachen Steuerung und Mechanik ausgeübt werden
kann.
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Gelöst werden
diese Aufgaben jeweils mit einer Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und
2, einem Verfahren nach Anspruch 20 sowie mit einer Sicherheitsgurt-Vorrichtung
nach den Ansprüchen
13 und 14.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Steuerung eines Drehmoments besteht aus einem drehbaren Abtriebs-
bzw. Ausgangselement, an welchem eine externe Kraft unter Ausbildung
eines Drehmoments angreifbar ist, und einen von einem Motor antreibbaren
drehbaren Antriebs- bzw. Eingangselement. Zwischen dem Eingangselement
und dem Ausgangselement ist eine Drehbewegung übertragbar.
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Zwischen
dem Ausgangselement und dem Eingangselement ist ein elastisches
Koppelelement vorgesehen, welches zwischen diesen beiden Elementen
derart angeordnet ist, dass es unter Veränderung seiner elastischen
Eigenschaften eine Relativdrehung zwischen dem Eingangselement und
dem Ausgangselement gestattet.
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Gemäss der Erfindung
ist das elastische Koppelelement über das motorgetriebene Eingangselement
in Abhängigkeit
von der jeweiligen Position des Ausgangselements derart ansteuerbar,
dass das an dem Ausgangselement vorherrschende Drehmoment festgelegt
wird, so dass es beispielsweise stets im Wesentlichen konstant gehalten
werden kann. Dabei kann die Position des Ausgangselements als ausschließlicher
Parameter für
die Steuerung des Drehmoments dienen.
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Der
Kern der Erfindung liegt demzufolge darin, dass durch eine gezielte
Ansteuerung des elastischen Koppelelements dessen elastischen Eigenschaften
bzw. Federeigenschaften so verändert
werden, dass das an dem Ausgangselement entweder statisch oder dynamisch
vorherrschende Drehmoment gezielt beeinflusst werden kann, insbesondere konstant
gehalten werden kann.
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Beim
Fall einer statischen Ansteuerung wird über das Eingangselement das
elastische Koppelelement so lange in Drehung versetzt, bis sich
unter Ausbildung einer bestimmten Vorspannung an dem Ausgangselement
ein definiertes Halteelement einstellt. Hierbei erfolgt die Ansteuerung
vorzugsweise derart, dass alle durch die in einem System, welches diese
Vorrichtung implementiert hat, vorherrschenden Kräfte auftretenden
Hysteresemomente ausgeglichen werden.
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Im
Fall einer dynamischen Drehmomentsteuerung läuft während der Drehung des Ausgangselements
das elastische Koppelelement durch das Eingangselement in Drehrichtung
des Ausgangselements nach.
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Mit
einer derartigen Vorrichtung ist es möglich, wenn diese beispielsweise
als Sicherheitsgurt-Vorrichtung umgesetzt wird, dass die an einer Gurtrolle
angreifende Auszugskraft über
die gesamte Auszugslänge
des Gurtes im Wesentlichen konstant gehalten wird. Mit anderen Worten,
wenn ein Fahrzeuginsasse den Gurt auszieht, würde im Normalfall eine Rückholfedereinrichtung
angespannt werden und mit steigender Gurtauszugslänge die
von dieser ausgeübte
Rückholkraft
ansteigen, welcher der Fahrzeuginsasse dann entgegenwirken muss.
Aus Komfortgründen
ist dies jedoch nicht wünschenswert.
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Um
die Auszugskraft während
des Ausziehens über
die gesamte Auszugslänge
prinzipiell konstant halten zu können,
ist es notwendig, sämtliche internen
Kräfte
des Gesamtsystems bzw. der Vorrichtung zu kompensieren. Interne
Kräfte
treten beispielsweise an dem Rückholfedermechanismus
auf oder bei Einsatz eines Getriebes durch die inneren Reibungskräfte im Getriebe
selbst.
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Gemäß der Erfindung
wird über
eine Sensoreinrichtung stets die Position der Gurtrolle bzw. des Ausgangselements
erfasst und in einer Steuereinheit verarbeitet. Um eine Regelung
des Drehmoments auf einfache Art und Weise zu ermöglichen,
differenziert die Steuereinheit aus der aktuellen Position die jeweilige
Drehgeschwindigkeit bzw. Drehbeschleunigung des Ausgangselements.
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Der
Vorteil der Erfindung liegt darin, dass diese Größen durch den erfindungsgemäßen Aufbau auf
einfache Art und Weise für
eine Steuerung herangezogen werden können, da die aus dem Motor
und gegebenenfalls dem Getriebe stammenden Hysteresemomente von
der Gurtrolle bzw. dem Ausgangselement vollständig entkoppelt sind.
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Hierzu
dient das elastische Koppelelement, welches in einer besonderen
Ausführungsform
als eine Spiralfeder mit einem rechteckförmigen Querschnitt ausgebildet
ist.
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In
der Anwendung für
eine Sicherheitsgurt-Vorrichtung ist dieses elastische Koppelelement als
ein zusätzliches
Element vorgesehen und dient nicht als Rückholfedermechanismus, welcher
separat an der Gurtrolle angreift.
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Um
nun das Drehmoment an dem Ausgangselement gezielt zu beeinflussen
bzw. konstant zu halten, wird gemäß der Erfindung die Position
des Arbeitspunktes des elastischen Koppelelements präzise nachgeregelt.
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Mit
anderen Worten, wenn der Fahrzeuginsasse den Sicherheitsgurt auszieht,
dreht das Eingangselement das elastische Koppelelement, welches
wiederum mit dem Ausgangselement der Gurtrolle in Verbindung steht,
in der Auszugsrichtung immer bis zu einem solchen Grad, dass die
Gurtauszugskraft für
den Fahrzeuginsassen stets konstant bleibt.
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Durch
die präzise
Positionsnachlaufregelung verändert
sich folglich ein zwischen dem Ausgangselement und dem elastischen
Koppelelement ausgebildeter erster Koppelpunkt relativ zu der Lage
eines zwischen dem Eingangselement und dem elastischen Koppelelement
ausgebildeten zweiten Koppelpunkts.
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Durch
diesen erfindungsgemäßen Aufbau lässt sich
eine einfache Steuerung bewerkstelligen, indem der Sollwert für die Nachlaufregelung
durch die jeweilige Position des Ausgangselements ergänzt um einen
Offset gebildet wird. Der Offset legt die jeweiligen Arbeitspunkte
des elastischen Koppelelements fest, wobei der Offset der jeweiligen
Vorspannung des elastischen Koppelelements entspricht.
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Darüber hinaus
wird gemäß der Erfindung die
einfache Steuerung dadurch ermöglicht,
dass das Eingangselement, das Ausgangselement und das zwischen diesen
angeordnete elastische Koppelelement derart ausgelegt sind, dass
die bei dynamischen Sollwertänderungen
zwischen der Position des Ausgangselements bzw. der Gurtrolle und
der Position des Eingangselements bzw. des dieses antreibenden Motors
ergebenden Phasenverschiebungen stets noch im linearen Bereich der
Federkennlinie des elastischen Koppelelements liegen.
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Hierzu
ist gemäß der Erfindung
jeweils an dem Ausgangselement und an dem Eingangselement ein Anschlag,
welcher gegebenenfalls einstellbar ist, vorgesehen. Beide Anschläge sind
zueinander so angeordnet, dass der durch diese Anschläge definierte
Bereich der möglichen
Winkelverdrehung zwischen dem Ausgangselement und dem Eingangselement
nur diesen linearen Bereich der Federkennlinie des elastischen Koppelelements
abdeckt. Hierdurch wird erreicht, dass eine Rückkopplung stets vermieden
wird, die sonst solche Regelkreise dynamisch unbeherrschbar macht.
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In
besonders raumsparender Art und Weise ist die Vorrichtung zur Steuerung
eines Drehmoments bzw. die Sicherheitsgurt-Vorrichtung gemäß der Erfindung
derart ausgestaltet, dass das Ausgangselement als eine Scheibe mit
darauf angeordneter radialer Außenwand
aufgebaut ist, entsprechend einem Hohlrad, so dass das elastische
Koppelelement in der Form einer Spiralfeder vollständig in
den durch diesen Aufbau ausgebildeten Hohlraum aufgenommen werden
kann. Das Eingangselement schließt die darüber liegende Seite vollständig ab.
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Die
Position des Ausgangselements bzw. der Gurtrolle wird über ein
Encoder-Rad ermittelt, welches drehfest mit dem Ausgangselement
in Verbindung steht. Auf einer Platine, welche den Antriebsmotor
trägt,
sind Hall-Sensoren angeordnet, die über die Drehung des Encoder-Rads
die Position des Ausgangselements unmittelbar erfassen und einer auf
dieser Platine angeordneten Steuereinheit zur Steuerung des Motors übermitteln.
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Die
Sicherheitsgurt-Vorrichtung gemäß der Erfindung,
welche den Aufbau aus Eingangselement, elastischem Koppelelement
und Ausgangselement benutzt, hat neben dem Effekt, dass die Auszugskraft über die
gesamte Auszugslänge über eine
entsprechende Ansteuerung des elastischen Koppelelements im Wesentlichen
konstant gehalten werden kann, noch weitere, den Betrieb des Sicherheitsgurt-Vorrichtung betreffende
Vorteile.
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So
kann das elastische Koppelelement definiert angesteuert werden,
um eine entsprechende Vorspannung und damit ein entsprechendes Halteelement
auf die Gurtrolle auszuüben.
Unter Vorgabe von definierten Gurtauszugskräften lassen sich so unterschiedliche
Komfortbedingungen einstellen, beispielsweise für einen so genannten „Sportmodus" soll die Gurtauszugskraft,
welche selbstverständlich wiederum über die
gesamte Gurtauszugslänge
konstant gehalten werden soll, einen höheren Wert liefern, so dass
der Fahrzeuginsasse eine höhere
Kraft zum Ausziehen des Gurtes aufwenden muss.
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Auch
die Maßnahme
einer Gurtauszugsbegrenzung, wie dies bei sicherheitsgurttypischen
Vorrichtungen üblich
ist, lässt
sich mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung
auf einfache Art und Weise bewerkstelligen. Bei Überschreiten einer definierten Gurtauszugsgeschwindigkeit
oder einer definierten Gurtauszugsbeschleunigung steuert die Steuereinheit
den Motor an, welcher dann schlagartig seine Position hält. Gleichzeitig
wird ein mit der Gurtrolle zusammenwirkender Gurtverriegelungsmechanismus
zwischen dem elastischen Koppelement und dem Ausgangselement bzw.
der Gurtrolle aktiviert, der einen weiteren Gurtauszug verhindert.
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Des
Weiteren kann beim Auftreten eines kritischen Fahrzeugzustandes,
beispielsweise bei einer Vollbremsung, der durch die erfindungsgemäße Vorrichtung
implementierte Regelkreis aufgetrennt werden, indem die Steuereinheit
den Motor so ansteuert, dass dieser die Gurtrolle mit einer definierten
Gurteinzugskraft schlagartig strafft. Mit anderen Worten dreht der
Motor das Eingangselement und damit über das elastische Koppelelement
das Ausgangselement bzw. die Gurtrolle in der zur Auszugsrichtung
umgekehrten Drehrichtung. Die Haltekräfte sind konstruktionsbedingt
jedoch begrenzt. Darüber
hinaus gehende Haltekräfte,
wenn es beispielsweise zu einem Auffahrunfall kommt, werden dann
wiederum durch den dann aktivierbaren Gurtverriegelungsmechanismus bereitgestellt.
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Um
die oben geschilderten Steuerungen durchführen zu können, ist der Motor vorzugsweise als
ein bürstenloser
Gleichstrommotor ausgebildet. Zu Zwecken einer entsprechenden Geräuschdämpfung wird
dieser bürstenlose
Elektromotor vorzugsweise mit einem sinusförmigen Strom betrieben.
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Zwischen
dem Eingangselement und dem Motor kann ein Übersetzungsgetriebe vorgesehen sein.
Hierbei werden die Getriebeuntersetzung und damit die Motordrehzahl
so niedrig wie möglich
gewählt,
um bei einer vorgegebenen Baugröße für den Motor
noch die für
die einwandfreie Steuerung in einer Sicherheitsgurt-Vorrichtung auftretenden
Momentanforderungen erfüllen
und gleichzeitig die Geräusche
des Motors und des Getriebes so gering wie möglich halten zu können.
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Es
wird deutlich, dass mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung, eines Eingangselements
und eines gegenüber
diesem über
ein elastisches Koppelelement relativ verdrehbaren Ausgangselements
in Verbindung mit einer Positionsnachlaufregelung des Ausgangselements
allgemein ein Verfahren zur Steuerung eines Drehmoments für ein jedes
drehbare Ausgangselement bewerkstelligt werden kann, bei welchem
eine gezielte Drehmomentsteuerung gewünscht ist. Der Fall einer Sicherheitsgurt-Vorrichtung
bildet hierfür
lediglich einen bevorzugten Anwendungsfall. Indem die Federeigenschaften
des elastischen Koppelelements in Abhängigkeit der Position des Ausgangselements
gezielt beeinflusst werden, lassen sich statisch und dynamisch die
an dem Ausgangselement vorherrschenden Drehmomentverhältnisse
festlegen und beeinflussen.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zeichnet sich des Weiteren dadurch aus, dass die Ansteuerung des
elastischen Koppelelements durch das Eingangselement stets so erfolgt,
dass alle an dem Ausgangselement und damit in dem System wirkenden internen
Kräfte,
beispielsweise eines Rückholfedermechanismus,
kompensiert werden, bevor das Ausgangselement in Drehung versetzt
wird.
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Aufbauend
auf einer solchen Kompensierung ist es dann mittels des Verfahrens
gemäß der Erfindung
möglich,
das Eingangselement so anzusteuern, dass auf das Ausgangselement
ein definiertes Haltemoment ausgeübt wird, bevor das Ausgangselement
in Drehung versetzt wird.
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Für die einzelnen
Verfahrensschritte gemäß der Erfindung
kann hierbei die Ansteuerung immer so erfolgen, dass die Phasenverschiebung,
welche sich zwischen dem Ausgangselement und dem Eingangselement
jeweils ergibt, stets nur in dem linearen Bereich der Federkennlinie
des elastischen Koppelelements liegt.
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Somit
eignet sich die Vorrichtung und das Verfahren gemäß der Erfindung
für jeden
denkbaren Einsatz einer Drehmomentsteuerung, wobei sich die Vorrichtung
und das Verfahren einerseits durch einen einfachen mechanischen
Aufbau und andererseits durch eine einfache elektronische Steuerung
auszeichnen.
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Die
Erfindung soll nun anhand des in den beiliegenden Zeichnungen dargestellten
Ausführungsbeispiels
näher beschrieben
werden. Es zeigen:
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1 eine
Explosionsdarstellung der wesentlichen Elemente der Vorrichtung
zur Steuerung eines Drehmoments gemäß der Erfindung;
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2 ein
Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Aufbaus der Vorrichtung;
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3 ein
Diagramm der Kennlinie des elastischen Koppelelements;
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4 ein
Diagramm, welches das Verhältnis der
Auszugskraft zu der Gurtlänge
wiedergibt; und
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5 eine
dreidimensionale Darstellung einer erfindungsgemäßen Sicherheitsgurt-Vorrichtung.
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In 1 ist
in Explosionsdarstellung die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Steuerung
eines Drehmoments gezeigt.
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Diese
besteht im Wesentlichen aus drei Elementen: einem drehbaren Eingangselement 1 mit
einer Antriebswelle 2 zur Anbindung an eine Antriebseinheit,
einem drehbaren Ausgangselement 3 mit einer Abtriebswelle 4 zur
Anbindung an weitere drehbare Elemente, über welche an dem Ausgangselement 3 eine
externe Kraft angreifbar ist, beispielsweise eine Auszugskraft einer
hier nicht näher
dargestellten Gurtrolle, sowie einem elastischen Koppelelement 5 in
der Form einer Spiralfeder mit rechteckförmigem Querschnitt, welches
zwischen dem Ausgangselement 3 und dem Eingangselement 1 angeordnet
ist.
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Das
elastische Koppelelement 5 steht mit dem Ausgangselement 3 in
einem ersten Koppelpunkt 6 und mit dem Eingangselement 1 in
einem zweiten Koppelpunkt 7 in Verbindung. Dadurch ist
es möglich,
dass über
das elastische Koppelelement 5 das Eingangselement 1 gegenüber dem
Ausgangselement 3 relativ verdrehbar ist. Die Koppelpunkte 6 und 7 werden
bewerkstelligt, indem die Enden der Spiralfeder 5 gebogen
sind und in entsprechende Aufnahmeschlitze eingreifen, welche in
dem Eingangselement 1 und dem Ausgangselement 3 vorgesehen
sind.
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Das
Ausgangselement 3 weist eine radiale Außenwand 8 auf, so
dass sich ein Aufnahmeraum in dem Ausgangselement 3 ausbildet,
in welchem das elastische Koppelelement 5 vollständig aufgenommen
werden kann. Des Weiteren weist das Ausgangselement 3 in
seiner radialen Außenwand 8 einen umlaufenden
Vorsprung 9 auf, auf welchem das Eingangselement 1 drehbar
gelagert ist. Auf diese Art und Weise lässt sich ein äußerst kompakter
Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung
realisieren.
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Das
Eingangselement 1 weist einen Anschlag 10 auf,
welcher mit einem an der radialen Außenwand 8 des Ausgangselements 3 vorgesehenen Anschlag 11 zusammenwirken
kann. Nicht dargestellte Dämpfungsmechanismen,
welche auf beiden Anschlägen 10, 11 angeordnet
sein können,
verhindern übermäßige Anschlaggeräusche. Wie
in 1 zu erkennen ist, kann der Anschlag 10 je
nach Anwendungsfall an den unterschiedlichsten Stellen mit dem Eingangselement 1 verschraubt
werden.
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Das
elastische Koppelelement 5 weist die in dem Diagramm der 3 gezeigte
Federkennlinie auf. Um sicherzustellen, dass die Ansteuerungen des Ausgangselements 3 nur
in dem linearen Bereich der Federkennlinie verändert werden können, sind
die Anschläge 10, 11 relativ
so zueinander angeordnet, dass sie die Phasenverschiebung zwischen
dem Eingangselement 1 und dem Ausgangselement 3 so
begrenzen, dass stets nur dieser lineare Bereich abgedeckt wird,
d. h. im vorliegenden Fall in einem Winkelverdrehungsbereich von
ca. 5–330°.
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In 2 ist
ein Blockdiagramm dargestellt, mit welchem schematisch der Aufbau
der Vorrichtung zur Steuerung eines Drehmoments, insbesondere bei
der Verwendung als eine Sicherheitsgurt-Vorrichtung wiedergegeben
ist. 2 gibt gleichzeitig den Regelkreis des Verfahrens
zur Drehmomentsteuerung wieder.
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An
dem Ausgangselement bzw. der Gurtrolle 3 greift eine Auszugskraft
FZ an, welche durch einen Insassen beim
Ausziehen des Gurtes hervorgerufen wird. Über eine Sensoreinrichtung,
welche weiter unten im Zusammenhang mit der 5 erklärt werden wird,
wird die aktuelle Position der Gurtrolle 3 detektiert und
einer elektronischen Steuereinheit 12 übermittelt.
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Diese
Steuereinheit 12 wiederum steuert einen bürstenlosen
Gleichstrommotor 13 an. Über entsprechende Sensoreinrichtungen
wird auch die aktuelle Position des Motors 13 durch die
elektronische Steuereinheit 12 erfasst.
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Der
bürstenlose
Gleichstrommotor 13 steuert über ein Übersetzungsgetriebe mit einer
Untersetzung von beispielsweise 1:10 das Eingangselement 1. Über das
elastische Koppelelement 5 wird die Drehung des Eingangselements 1 so
auf das Ausgangselement 3 übertragen, dass die Federeigenschaft bzw.
der jeweilige Arbeitspunkt des elastischen Koppelelements 5 in
Abhängigkeit
der Position der Gurtrolle 3 eingestellt wird. Hierdurch
wird der Einfluss des Hysteresemoments einer Rückholfedervorrichtung 14,
welche auf die Gurtrolle 3 einwirkt, von dem Motor 13 entkoppelt.
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Um
in der Steuereinheit 12 keine zusätzliche rechnerische Übersetzung
vorzusehen, ist die Auflösung
der inkrementalen Positionsgeber erfindungsgemäß so gewählt, dass eine Übersetzung
von 1:1 vorliegt. Dabei entspricht ein Inkrement der Sensoreinrichtung
für die
Gurtrolle 3 einem Inkrement für die Sensoreinrichtung der
Rotation des Motors 13.
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In 4 ist
ein Diagramm gezeigt, bei welchem die Gurtauszugskraft FZ über
die jeweilige Gurtauszugslänge
LG für
eine Sicherheitsgurt-Vorrichtung gemäß der Erfindung wiedergegeben
ist.
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Linie
A zeigt den theoretischen Anstieg der Auszugskraft FZ bedingt
durch die Rückholfedervorrichtung 15.
Um die Gurtauszugskraft FZ nun über die gesamte
Gurtauszugslänge
LG konstant auf einen bestimmten Kraftwert
einzustellen, sind in der Steuereinheit 12 Sollwerte abgelegt,
beispielsweise Kurve B für
4 N für
einen so genannten „Komfortbetrieb" oder Kurve C für 6 N für einen
so genannten „Sportbetrieb".
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Es
wird deutlich, dass mit ansteigender Gurtauszugslänge LG die ansteigende Rückholfederkraft gemäß Kurve
A sowie hier nicht weiter dargestellte interne Kräfte, beispielsweise
des Getriebes, kompensiert werden müssen.
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Hierzu
regelt die Steuereinheit 12 in Abhängigkeit der Position des Ausgangselements
bzw. der Gurtrolle 3 dann die Federeigenschaft des elastischen
Koppelelements 5, indem das Eingangselement 1 in
Richtung der Drehung der Gurtrolle 3 nachgeregelt wird,
wobei dieser Nachlauf die Federeigenschaft des elastischen Koppelelements 5 beeinflusst. Dementsprechend
zeigen die Kurven D und E die entsprechenden Kraftkompensationsverläufe über die
Gurtauszugslänge IG, welche bereitgestellt werden müssen, um
einen konstanten Komfortbetrieb (Kurve B) oder einen konstanten
Sportbetrieb (Kurve C) zur Verfügung
zu stellen.
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Demzufolge
wird der Sollwert für
eine derartige Nachlaufregelung des elastischen Koppelelements 5 die
jeweilige aktuelle Gurtrollerposition ergänzt um den durch die jeweilige
Vorspannung ergebenden Offset, welcher den Arbeitspunkt des elastischen
Koppelelements 5 festlegt, gebildet.
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Über den
Motor 13 lässt
sich auch der Effekt einer Gurtauszugsbegrenzung realisieren. Bei Überschreiten
einer Gurtauszugsgeschwindigkeit von beispielsweise 0,6 m/s oder
einer maximal erlaubten Gurtauszugsbeschleunigung von ca. 15 m/s2 wird der gemäß 2 dargestellte
Regelkreis für
die erfindungsgemäße Vorrichtung
bzw. für
das erfindungsgemäße Verfahren
deaktiviert. Die bisherigen Sollwertvorgaben, welche sich aus der
Position der Gurtrolle 3 plus dem Offset ergeben, werden
deaktiviert und der gerade aktuelle Istwert dann als neue fixe Sollwertvorgabe
angenommen. Dadurch versucht der Motor 13, seine aktuelle
Position zu halten. Ein hier nicht näher dargestellter Gurtverriegelungsmechanismus
kann dann aktiviert werden, um einen weiteren Gurtauszug zu verhindern.
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Zur
Bewerkstelligung einer Gurtstraffung wird der in 2 dargestellte
Regelkreis bei Detektion eines gefährlichen Fahrzeugzustandes
ebenfalls aufgetrennt. Der Motor 13 wird aktiviert, um
in entgegen gesetzter Richtung zu drehen und damit den Gurt mit
einer festgelegten Gurteinzugskraft zu straffen. Diese Kräfte sind
jedoch durch die jeweils implementierte Motor-/Getriebe-Kombination
begrenzt, und können
je nachdem in einem Bereich von 50–250 Newton liegen. Bei Bedarf
können
diese Kräfte über eine
entsprechende Motorsteuerung beliebig begrenzt werden. Gehen die
Haltekräfte über diesen
Bereich hinaus, wie beispielsweise bei einem Crash, verhindert der
aktivierte Gurtverriegelungsmechanismus ein weiteres Herausziehen
des Sicherheitsgurtes.
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In 5 ist
exemplarisch eine Sicherheitsgurt-Vorrichtung gemäß der Erfindung
wiedergegeben.
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In
einem Gehäuse
ist das Ausgangselement 3 mit einer Gurtrolle 16 drehfest
verbunden. An der Gurtrolle 16 greift eine hier nicht dargestellte
Rückholfedervorrichtung
an. Unterhalb der Gurtrolle 16 ist ein bürstenloser
Gleichstrommotor 13 mit einer Motorwelle 17 angeordnet.
Die Motorwelle 17 durchgreift eine Leiterplatte 18.
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Zwischen
dem Eingangselement 1 und der Motorwelle 17 des
Motors 13 ist Platz für
ein hier nicht näher
dargestelltes Getriebe vorgesehen.
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Auf
der Leiterplatte 18 ist eine Steuereinheit 12 angeordnet
sowie eine Sensoreinrichtung in der Form von Hall-Elementen 19.
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Die
Hall-Elemente 19 sind so auf der Leiterplatte 18 angeordnet,
dass sie mit einem Encoder-Rad 20 zusammenwirken können. Das
Encoder-Rad 20 wiederum ist drehfest mit der Gurtrolle 16 verbunden
und gibt so die jeweilige Drehposition der Gurtrolle 16 wieder.
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Gleichzeitig
wird die jeweilige Drehposition des Motors 13 erfasst.
Die Inkrementaufteilung des Encoder-Rads 20 einerseits
und die entsprechende Inkrementaufteilung bei der Erfassung der
Rotorstellung des Motors 13 sind dabei so gewählt, dass
keine rechnerische Übersetzung
durch die Steuereinheit 12 durchgeführt werden muss.
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Es
wird deutlich, dass sich über
eine derartige kompakte Konstruktion eine äußerst platzsparende Sicherheitsgurt-Vorrichtung
bewerkstelligen lässt, welche
gleichzeitig die erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Steuerung eines Drehmoments verwirklicht.
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- 1
- Eingangselement
- 2
- Antriebswelle
- 3
- Ausgangselement
- 4
- Abtriebswelle
- 5
- Elastisches
Koppelelement/Spiralfeder
- 6
- erster
Koppelpunkt
- 7
- zweiter
Koppelpunkt
- 8
- Radiale
Außenwand
- 9
- Umlaufender
Vorsprung
- 10,
11
- Anschläge
- 12
- Steuereinheit
- 13
- Motor
- 14
- Übersetzungsgetriebe
- 15
- Rückholfedermechanismus
- 16
- Gurtrolle
- 17
- Motorwelle
- 18
- Leiterplatte
- 19
- Sensoreinrichtung/Hall-Elemente
- 20
- Encoder-Rad
- FZ
- Auszugskraft
bzw. Rückholkraft
- LG
- Gurtauszugslänge