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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Sicherheitsgurtsystems
in einem Kraftfahrzeug, wobei das Sicherheitsgurtsystem einen Gurtaufroller
mit einer Gurtspule, von der Gurtband abgezogen werden kann, eine
fahrzeug- und/oder gurtbandsensitive Blockiereinrichtung zum Blockieren
der Gurtspule und eine variable Kraftbegrenzungseinrichtung umfaßt, die
trotz blockierter Gurtspule einen begrenzten Gurtbandabzug zulassen
kann, wobei die Kraftbegrenzungseinrichtung wenigstens ein höheres und
ein niedrigeres Kraftbegrenzungsniveau bereitstellen kann. Die Erfindung betrifft
ferner eine Vorrichtung zur Einstellung eines Kraftbegrenzungsniveaus
in einer variablen Kraftbegrenzungseinrichtung eines Sicherheitsgurtsystems in
einem Kraftfahrzeug, wobei die Kraftbegrenzungseinrichtung wenigstens
ein höheres
und ein niedrigeres Kraftbegrenzungsniveau bereitstellen kann.
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Aus
der
DE 103 43 534
A1 ist ein Gurtaufroller für ein Sicherheitsgurtsystem
bekannt, bei dem zusätzlich
zu einer ersten Kraftbegrenzung mittels eines Torsionsstabs gleichzeitig
eine zweite Kraftbegrenzung durch spanende Materialbearbeitung erfolgt.
Die zweite Kraftbegrenzung ermöglicht
insbesondere über
die Parameter Schnittbreite und -tiefe abschnittsweise einen progressiven,
degressiven oder konstanten Kraftniveauverlauf. Allerdings ist das
Kraftniveau und dessen Verlauf für
alle Fahrzeuginsassen gleich.
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Die
DE 196 04 483 C1 zeigt
eine Sicherheitseinrichtung mit einem Regelgerät, das den Kraftverlauf für eine Kraftbegrenzungseinrichtung
einstellt. Die Steuerung des Kraftverlaufs erfolgt in Abhängigkeit
von Daten, die von im Kraftfahrzeug vorgesehenen Sensoren an das
Regelgerät
gegeben werden.
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Ein
Gurtaufroller mit einem mechanischen Gurtkraftbegrenzer und einer
Straffereinrichtung ist aus der
DE 297 17 477 U1 bekannt. In Abhängigkeit bestimmter
Daten, u.a. des von einem Sensor ermittelten Gewichts des Fahrzeuginsassen,
wird eine differenzierte Gurtstraffung oder Gurtkraftbegrenzung ermöglicht.
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Aus
der
DE 199 02 483
C2 ist schließlich
ein Sicherheitsgurtaufroller bekannt, bei dem nach dem Blockieren
der Gurtspule aus der mit der Energieabsorption abgetasteten Drehbewegung
ein elektrisches Meßsignal
für die
Gurtbandauszugslänge,
-geschwindigkeit oder -beschleunigung gebildet wird. In Abhängigkeit
dieses Meßsignals
wird dann ein Lastbegrenzer eingestellt.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, insbesondere bei einem strafferlosen Sicherheitsgurtsystem
auf kostengünstige
Weise eine an den jeweiligen Fahrzeuginsassen angepaßte Kraftbegrenzung
zu ermöglichen.
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Gelöst wird
diese Aufgabe durch ein Verfahren der eingangs genannten Art, bei
dem erfindungsgemäß im Rückhaltefall
das Kraftbegrenzungsniveau in Abhängigkeit der Gurtbandauszugsgeschwindigkeit
in einer anfänglichen
Phase des Gurtbandauszugs bereitgestellt wird. Die Erfindung beruht
auf der Erkenntnis, daß bei
Sicherheitsgurtsystemen ohne Gurtstraffung aus dem Verlauf der Gurtbandauszugsgeschwindigkeit
in der anfänglichen
sogenannten Film-Spool-Phase,
in der trotz blockierter Gurtspule locker aufgewickeltes Gurtband
abgezogen wird, Rückschlüsse auf
die Physis des Fahrzeuginsassen gezogen werden können. Beispielsweise kann aus einem
Abfall der Gurtbandauszugsgeschwindigkeit in dieser Phase geschlossen
werden, daß der
Fahrzeuginsasse so leicht ist, daß ein niedrigeres als das voreingestellte
Kraftbegrenzungsniveau (das im wesentlichen auf durchschnittliche
Fahrzeuginsassen ausgelegt ist) eingestellt werden kann, was einer Komforterhöhung und
einer Verringerung des Verletzungsrisikos für den leichten Fahrzeuginsassen
entspricht. Andererseits kann ein steiler Anstieg der Gurtbandauszugsgeschwindigkeit
in der Film-Spool-Phase
auf einen verhältnismäßig schweren
Fahrzeuginsassen hindeuten, für
den ein höheres
Kraftbegrenzungsniveau erforderlich wäre, um z.B. ein Durchschlagen
des Kopfes sicher zu verhindern. Die Erfindung hat den Vorteil,
daß sehr
frühzeitig,
nämlich
bereits vor dem Erreichen des voreingestellten Kraftbegrenzungsniveaus
ermittelt wird, welche Physis der Fahrzeuginsasse hat. Somit kann
sofort ein an den jeweiligen Fahrzeuginsassen angepaßtes anfängliches
Kraftbegrenzungsniveau bereitgestellt werden. Dies stellt eine deutliche
Verbesserung gegenüber
einem erst im Verlauf der Kraftbegrenzung angepaßten Niveau dar. Ein weiterer
wesentlicher Vorteil besteht darin, daß das erfindungsgemäße Verfahren
ohne teure Gewichtssensoren oder dergleichen auskommt.
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Die
Aufgabe der Erfindung wird auch durch eine Vorrichtung der eingangs
genannten Art gelöst, bei
der erfindungsgemäß eine Schalteinrichtung
vorgesehen ist, die im Rückhaltefall
das Kraftbegrenzungsniveau in Abhängigkeit der Gurtbandauszugsgeschwindigkeit
in einer anfänglichen
Phase des Gurtbandauszugs bereitstellt.
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Vorteilhafte
und zweckmäßige Ausgestaltungen
des erfindungsgemäßen Verfahrens
und der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die
Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
näher erläutert. In
den Zeichnungen zeigen:
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1a, 1b, 1c Diagramme
zur Darstellung der Gurtbandauszugsgeschwindigkeit in Abhängigkeit
der Gurtbandauszugslänge
für verschiedene
Insassentypen;
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2 ein
Diagramm zur Darstellung beispielhafter Signalverläufe in einem
Rückhaltefall;
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3 ein
weiteres Diagramm zur Darstellung der Gurtbandauszugsgeschwindigkeit
in Abhängigkeit
der Gurtbandauszugslänge
für verschiedene Insassentypen;
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4 ein
Diagramm zur Darstellung der Gurtkraft in Abhängigkeit der Gurtbandauszugslänge mit
angepaßten
Kraftbegrenzungsniveaus;
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5a, 5b jeweils
einen Vergleich der Gurtbandauszugsgeschwindigkeiten von zwei unterschiedlichen
Insassentypen in Abhängigkeit
der Gurtbandauszugslänge;
und
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6 eine
schematische Darstellung des Aufbaus einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Einstellung eines Kraftbegrenzungsniveaus.
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Grundsätzlich ist
es wünschenswert,
in einem Rückhaltefall
(d.h. bei blockierter Gurtspule des Gurtaufrollers) das Kraftbegrenzungsniveau
an den jeweiligen Fahrzeuginsassen optimal anzupassen. So kann beispielsweise
ein auf durchschnittliche Fahrzeuginsassen ausgelegtes Kraftbegrenzungsniveau,
das von leichten Fahrzeuginsassen aber nicht erreicht wird, für diese
zu einer starken Belastung durch den Sicherheitsgurt führen. Die
Belastung könnte
durch eine Herabsetzung des Kraftbegrenzungsniveaus verringert werden.
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Die
grundlegende Idee der Erfindung besteht nun darin, ohne Verwendung
spezieller Sensoren möglichst
frühzeitig
aus dem anfänglichen
Gurtbandauszugsverhalten auf die Physis des Fahrzeuginsassen zu
schließen
und das Kraftbegrenzungsniveau entsprechend anzupassen. Eine Möglichkeit
der Umsetzung dieses Gedankens wird anschließend für den Fall erläutert, daß, nachdem
ein leichter Fahrzeuginsasse erkannt wurde, das Kraftbegrenzungsniveau
herabgesetzt wird.
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Die
folgende Beschreibung bezieht sich auf Ergebnisse einer Simulation,
die zur Veranschaulichung des Gurtbandauszugsverhaltens im Rückhaltefall
für ein
Kraftfahrzeug-Sicherheitsgurtsystem durchgeführt wurde, wobei das Sicherheitsgurtsystem
das eine Kraftbegrenzungseinrichtung, jedoch keinen Gurtstraffer aufweist.
Die 1a, 1b und 1c zeigen
die Gurtbandauszugsgeschwindigkeit für einen 5%-, einen 50%- bzw.
einen 95%-Dummy unter Euro-NCAP-Bedingungen
(gestrichelte Linien) und unter US-NCAP-Bedingungen (durchgezogene Linien),
wobei ein konstantes Kraftbegrenzungsniveau von F1 =
4000 N angenommen wurde. Ein solches Kraftbegrenzungsniveau ist
unter den vorgegebenen Bedingungen für 50%-Dummys gut geeignet.
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Das
Simulationsergebnis für
den 5%-Dummy zeigt ein grundsätzlich
unterschiedliches Gurtbandauszugsverhalten in den beiden simulierten Lastfällen:
Während der
5%-Dummy unter Euro-NCAP-Bedingungen noch innerhalb des sogenannten Film-Spool-Bereichs
nach ca. S1 = 75 mm Gurtbandauszug zum Stehen
kommt (was genau der Grenze zum Kraftbegrenzungsniveau von 4000
N entspricht), ist dies unter US-NCAP-Bedingungen nicht der Fall,
d.h. der 5%-Dummy
erreicht das Kraftbegrenzungsniveau. Somit kann bei einem Kraftbegrenzungsniveau
von 4000 N der Gurtbandauszugsstop vor Erreichen des Kraftbegrenzungsniveaus nicht
als Kriterium zur Erkennung auf einen 5%-Dummy herangezogen werden, da im härteren Lastfall nach
US-NCAP dieses Kriterium nicht erfüllt wird.
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Ist
das voreingestellte Kraftbegrenzungsniveau jedoch so bemessen, daß ein 5%-Dummy
bei einer Belastung gemäß US-NCAP
(oder allgemein im härtesten
Lastfall, der für
die Entwicklung von Sicherheitsgurtsystemen relevant ist) dieses
Kraftbegrenzungsniveau nicht erreicht, kann das charakteristische
Gurtbandauszugsverhalten im Film-Spool-Bereich als Indikator für einen
5%-Fahrzeuginsassen (oder auch für
einen moderaten Belastungsfall für
einen 50%- oder 95%-Fahrzeuginsassen)
genutzt werden. Dies setzt natürlich
voraus, daß ein
95%- und auch ein 50%-Dummy unter gleichen Bedingungen dieses Kraftbegrenzungsniveau
erreichen und auf diesem Niveau eine gewisse Gurtbandlänge ausziehen.
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Eine
Möglichkeit,
das Gurtbandauszugsverhalten in der Film-Spool-Phase zu kennzeichnen
und zu überwachen,
besteht darin, verschiedene Signale vorzusehen, die repräsentativ
für bestimmte
relevante Kriterien sind. In 2 sind vier
verschiedene zeitliche Signalverläufe angegeben, die für folgende
Kriterien stehen (0 = nicht erfüllt,
1 = erfüllt):
- – Signal
1: Gurtspule des Gurtaufrollers ist blockiert (z.B. eine Blockierklinke
ist in eine Sperrverzahnung eingesteuert),
- – Signal
2: Eine vorbestimmte untere Gurtbandauszugsgeschwindigkeit wurde
wenigstens einmal überschritten
(Signal wird nach einmaligem Überschreiten
nicht mehr zurückgesetzt),
- – Signal
3: Die aktuelle Gurtbandauszugsgeschwindigkeit ist geringer als
eine vorbestimmte minimale Gurtbandauszugsgeschwindigkeit, und
- – Signal
4: Das voreingestellte Kraftbegrenzungsniveau wurde noch nicht erreicht.
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Im
Diagramm der 3 sind schematisch nochmals
die unterschiedlichen Verläufe
der Gurtbandauszugsgeschwindigkeiten für einen 5%-, einen 50%- und
einen 95%-Dummy in Abhängigkeit
der Gurtbandauszugslänge
angegeben. Eingezeichnet sind ferner die vorbestimmte untere Gurtbandauszugsgeschwindigkeit
v1 und die vorbestimmte minimale Gurtbandauszugsgeschwindigkeit
vmin.
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Das
gleichzeitige Vorliegen aller vier Signale kann als Schaltbedingung
für die
Herabsetzung des Kraftbegrenzungsniveaus verwendet werden. Diese Bedingung
ist gemäß den beispielhaften
Signalverläufen
in 2 zum Zeitpunkt tS erfüllt. In 3 entspricht
dieser Zeitpunkt dem Punkt x, an dem die Gurtbandauszugsgeschwindigkeit
ohne Erreichen des Kraftbegrenzungsniveaus wieder unter die vorbestimmte
minimale Gurtbandauszugsgeschwindigkeit vmin abfällt. Nach
Herabsetzung des Kraftbegrenzungsniveaus nimmt die Gurtbandauszugsgeschwindigkeit
aufgrund der nun folgenden Gurtkraftbegrenzung einen ähnlichen
Verlauf wie die Gurtbandauszugsgeschwindigkeiten des 50%- und des 95%-Dummys.
Zum Vergleich ist mit einer dünnen
Linie der weitere Verlauf für
den Fall angegeben, daß keine
Herabsetzung des Kraftbegrenzungsniveaus erfolgt.
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Wie
zuvor erwähnt,
ist für
die erfindungsgemäße Auswertung
des anfänglichen
Gurtbandauszugsverhaltens ein verhältnismäßig hohes voreingestelltes
Kraftbegrenzungsniveau erforderlich. Dies kann bedeuten, daß dieses
hohe Kraftbegrenzungsniveau für
den 50%- und den 95%-Dummy unter Umständen (wenigstens zu Beginn
der Gurtkraftbegrenzung) nicht das optimale Kraftbegrenzungsniveau
ist. Dem kann entweder durch eine Kraftbegrenzungseinrichtung mit
degressiver Charakteristik oder durch ein weiteres Schalten auf
ein optimales Kraftbegrenzungsniveau für 50%- und 95%-Dummys nach
Erreichen des voreingestellten Kraftbegrenzungsniveaus begegnet
werden. Dies ist schematisch im Diagramm der 4 angedeutet,
in dem die Gurtkraft FGurt in Abhängigkeit
der Gurtbandauszugslänge
dargestellt ist.
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Eine
weitere Möglichkeit
zur Definition einer Schaltbedingung zum Herabsetzen des Kraftbegrenzungsniveaus
basiert auf dem charakteristischen Abfall der Gurtbandauszugsgeschwindigkeit
im Film-Spool Bereich.
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Im
Diagramm der 5a ist ein Vergleich simulierter
Gurtbandauszugsgeschwindigkeiten eines 50%- und eines 5%-Dummys
für einen
bestimmten Fahrzeugtyp im Euro-NCAP Lastfall dargestellt. Die Simulation
beinhaltet eine Herabsetzung des Kraftbegrenzungsniveaus durch einen
Schaltvorgang nach S2 = 58 mm Gurtbandauszug
von F2 = 3100 N auf F3 =
2200 N für
den 50%-Dummy und von F4 = 3100 N auf F5 = 1000 N für den 5%-Dummy. Zusätzlich ist
gestrichelt der theoretische Verlauf der Gurtbandauszugsgeschwindigkeit
ohne Schaltvorgang mit einer degressiven Gurtkraftbegrenzung für den 5%-Dummy
angegeben. Es zeigt sich, daß die
Gurtbandauszugsgeschwindigkeit des 5%-Dummys nach Erreichen eines lokalen
Maximums vor dem Schaltvorgang um ca. ΔV = 0,5 m/sec abfällt. Ein
solcher Abfall ist beim 50%-Dummy nicht zu beobachten.
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5b zeigt
die gleichen Kurven im US-NCAP Lastfall, wobei der Schaltvorgang
hier nach S3 = 78 mm Gurtbandauszug erfolgt
und eine Herabsetzung des Kraftbegrenzungsniveaus von F6 =
3700 N auf F7 = 700 N für den 50%-Dummy und von F8 = 3500 N auf F9 =
200 N für
den 5%-Dummy bewirkt. Auch hier ist ein Abfall der Gurtbandauszugsgeschwindigkeit
des 5%-Dummys vor
dem Schaltvorgang um ca. ΔV
= 0,5 m/sec zu beobachten, nicht jedoch beim 50%-Dummy. Somit kann
dieser Geschwindigkeitsabfall unter entsprechenden Rahmenbedingungen
als Kriterium für
die Präsenz
eines 5%-Fahrzeuginsassen
(oder eines moderaten Belastungsfalls für einen 50%- oder 95%-Fahrzeuginsassen)
dienen.
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Die
Zahlenwerte der beschriebenen Simulationen sind beispielhaft zu
verstehen. Allgemein gilt für
die explizit genannten Kräfte
und Längen: F1 > F6 > F8 > F2 u.
F4 > F3 > F5 > F7 > F9 bzw. S3 ≥ S1 > S2
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In 7 ist der schematische Aufbau einer Vorrichtung
zur Einstellung eines Kraftbegrenzungsniveaus dargestellt, mit dem
das oben beschriebene Verfahren zur Steuerung des Sicherheitsgurtsystems mechanisch
umgesetzt werden kann. Eine Scheibe 10 ist reibschlüssig oder
auf andere geeignete Weise an das Gurtband 12 gekoppelt,
das von einer Gurtspule eines Gurtaufrollers abgezogen werden kann.
Auf der im rechten Teil der 7 vergrößert dargestellten
Scheibe 10 ist eine Sensormasse 16 verschiebbar
angeordnet. Die Sensormasse 16 ist über ein Federelement 18 an
das Drehzentrum 20 der Scheibe 10 gekoppelt. Eine
Verzahnung 22 an der Sensormasse 16 greift in
ein erstes Zahnrad 24 eines Doppelritzels 26 ein,
wobei das erste Zahnrad 24 drehfest auf einer Achse 28 gelagert
ist. Ein auf der gleichen Achse 28 gelagertes zweites Zahnrad 30 des
Doppelritzels 26 greift in eine Verzahnung 32 an
einem Schalter 34 ein. Das zweite Zahnrad 30 ist so
auf der Achse 28 gelagert, daß es sich in eine Richtung
frei drehen kann. Gemäß der Darstellung der 7 ist das zweite Zahnrad 30 nur
in der Drehrichtung gegen den Uhrzeigersinn drehfest an die Achse 28 gekoppelt,
während
es im Uhrzeigersinn frei drehen kann.
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Im
folgenden wird das Funktionsprinzip der Vorrichtung beschrieben.
Der Abzug von Gurtband 12 von der Gurtspule des Gurtaufrollers 14 versetzt die
Scheibe 10 so in Drehung, daß die Drehgeschwindigkeit der
Scheibe 10 direkt proportional zur Gurtbandauszugsgeschwindigkeit
ist. Aufgrund der Zentrifugalkraft bewegt sich die Sensormasse 16 um einen
Weg sAuszug in einer ersten Richtung radial
nach außen,
so daß das
erste Zahnrad 24 im Uhrzeigersinn gedreht wird, während das
zweite Zahnrad 30 nicht mitdreht. Bei einem Abfall der
Gurtbandauszugsgeschwindigkeit vermindert sich auch die Drehgeschwindigkeit
der Scheibe 10, und die auf die Sensormasse 16 wirkende
Zentrifugalkraft läßt nach.
Die Sensormasse 16 bewegt sich deshalb in einer der ersten
Richtung entgegengesetzten zweiten Richtung (Schaltrichtung) wieder
auf das Drehzentrum 20 zu und versetzt das erste Zahnrad 24 in
eine Drehung gegen den Uhrzeigersinn. Aufgrund der drehfesten Lagerung
des zweiten Zahnrads 30 in dieser Drehrichtung verschiebt
das zweite Zahnrad den Schalter 34 um einen Weg sSchalter. Dieser Weg hängt von der ursprünglichen
Auslenkung der Sensormasse 16 nach außen (sAuszug)
und der anschließenden Rückauslenkung
ab und ist damit repräsentativ
für den
Abfall der Gurtbandauszugsgeschwindigkeit.
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Die
Vorrichtung kann demnach so ausgelegt werden, daß der Schalter nur nach Zurücklegen
eines Mindestschaltwegs, der einem vorbestimmten Geschwindigkeitsabfall
entspricht, einen Schaltvorgang zur Herabsetzung des Kraftbegrenzungsniveaus
einer Kraftbegrenzungseinrichtung auslöst. Soll beispielsweise bei
einem Abfall der Gurtbandauszugsgeschwindigkeit von v1 =
3,5 m/sec auf v2 = 3 m/sec ein Schaltvorgang
ausgelöst
werden, beträgt
der Mindestschaltweg bei einem Scheibenradius von r = 20 cm, einer
Sensormasse von m = 50 g und einer Federkonstante von k = 1000 N/m
rechnerisch 8,125 mm, da in diesem Fall nämlich die auf die Sensormasse 16 wirkende
Zentrifugalkraft von Fr1 = 30,625 N auf
Fr2 = 22,5 N abnimmt.