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Die
Erfindung betrifft einen Gurtaufroller für ein Sicherheitsgurtsystem
sowie ein Verfahren zur Bestimmung des Gurtbandabzugs in einem Gurtaufroller.
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In
Kraftfahrzeugen werden in zunehmendem Maße Einrichtungen zum Schutze
des Insassen wie Gurtstraffer, in Gurtaufrollern eingesetzte Kraftbegrenzer
oder auch Gasgeneratoren für
Gassackmodule je nach Unfallschwere und Insassenposition in ihrer
Leistung angepaßt.
Dabei ist die Information des relativen und absoluten Gurtbandabzugs
sehr hilfreich.
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Bei
Gurtaufrollern, bei denen die Triebfeder zum Aufwickeln des Gurtbandes
durch einen Motor unterstützt
wird, um im angeschnallten Zustand einen erhöhten Komfort zu gewährleisten,
ist es zudem nötig,
die absolute Gurtbandposition zu erkennen, um zu ermitteln, ob der
Gurt in Ablageposition ist oder sich überhaupt bewegt. Je nach Bedarf
kann dann der unterstützende
Motor aktiviert werden.
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Es
ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Gurtaufroller mit einer Gurtbandabzugsmeßeinrichtung
bzw. ein Verfahren zur Bestimmung des Gurtbandabzugs in einem Gurtaufroller
zu schaffen, mittels dem sich der Gurtbandabzug bzw. die Gurtbandposition
auf einfache Weise bestimmen läßt.
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Hierzu
ist erfindungsgemäß ein Gurtaufroller für einen
Sicherheitsgurt vorgesehen, mit einer Gurtspule und einer Gurtbandabzugsmeßeinrichtung,
die eine Steuerscheibe, ein magnetisches Sensorelement und ein von
der Steuerscheibe angetriebenes, als separates Teil ausgebildetes
Magnetzahnrad aufweist. Wird Gurtband von der Gurtspule abgezogen,
so dreht sich diese bzw. nimmt eine bestimmte Stellung ein, wobei
sich die Steuerscheibe mit der Gurtspule mitbewegt. Über die
Steuerscheibe wird das Magnetzahnrad angetrieben, dessen Position
relativ zum Sensorelement ermittelt und daraus auf den Gurtbandabzug
geschlossen wird. Es sei angemerkt, daß im Sinne der Erfindung unter
Gurtbandabzug sowohl der Vorgang als auch das Ergebnis, das auch als
Gurtbandposition bezeichnet werden kann, zu verstehen ist. Der erfindungsgemäße Gurtaufroller zeichnet
sich durch eine besonders einfache Ausgestaltung, eine einfache
Montage sowie eine kompakte Bauform aus. Aufgrund des separat ausgebildeten Magnetzahnrads
kann eine übliche
Steuerscheibe verwendet werden, die gegebenenfalls geringfügig modifiziert
wird.
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Vorteilhaft
ist die Steuerscheibe über
ein Untersetzungsgetriebe mit der Gurtspule gekoppelt. Auf diese
Weise läßt sich
die Gesamtzahl an Umdrehungen der Gurtspule für ein vollständiges Abwickeln des
Gurtbands auf eine einzige Umdrehung der Steuerscheibe oder weniger
abbilden, wodurch ein absolut messendes System geschaffen wird.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform ist
die Steuerscheibe über
ein Zwischenrad mit dem Magnetzahnrad gekoppelt. Somit ist die Position
des Magnetzahnrads innerhalb gewisser Grenzen frei wählbar, insbesondere
kann das Magnetzahnrad radial außerhalb der Steuerscheibe angeordnet
werden, wodurch sich bauraumtechnische Vorteile ergeben können.
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Das
Magnetzahnrad kann aus einem kunststoffgebundenen Magnetmaterial
bestehen oder ein Zahnrad mit darin eingebettetem Magneten sein.
In beiden Fällen
ist das Zahnrad vorzugsweise so ausgebildet, daß die beiden Magnetpole einander
diametral gegenüberliegen.
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Insbesondere
ist das Sensorelement mit einer Auswerteelektronik gekoppelt, die
aus den vom Sensorelement ausgegebenen Signalen den Gurtbandabzug
ermittelt. Dabei können,
je nach Art des verwendeten Sensorelements, unterschiedliche Signale
ausgegeben werden, an die die zugeordnete Auswerteelektronik angepaßt ist.
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Eine
besonders kostengünstige
Lösung
ergibt sich, wenn die Auswerteelektronik in ein vorhandenes Steuergerät integriert
ist. Dieses kann ein Steuergerät
für einen
Fahrzeugsitz, für
ein Gassackmodul oder ein kombiniertes Steuergerät sein. Alternativ ist es ebenso
möglich,
die Auswerteelektronik als eigenständiges Steuergerät auszuführen. Die
Information über
den momentanen Gurtbandabzug kann in beiden Fällen z.B. über ein Fahrzeugbussystem an
verschiedene Geräte übertragen
werden, die diese Information benötigen.
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In
einer Ausführungsform
weist das Sensorelement einen Chip mit vier symmetrisch angeordneten
Hall-Sensoren auf und ist somit als Sensorelement mit integrierter
Winkelberechnung ausgebildet, welches direkt den Winkel des Magnetfelds
ausgibt.
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Eine
besonders kostengünstige
sowie platzsparende Unterbringung ergibt sich, wenn die Steuerscheibe
Teil eines Kindersicherungssystems ist. In diesem Fall muß für die Steuerscheibe
kein separates Bauteil vorgesehen werden.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Bestimmung des
Gurtbandabzugs in dem bereits beschriebenen Gurtaufroller vorgesehen,
welches die folgenden Schritte aufweist. Zunächst wird die Winkellage des
Magnetzahnrads relativ zum Sensorelement durch Erfassung geeigneter
Signale bestimmt und anschließend
der Gurtbandabzug durch eine Auswerteelektronik anhand der ermittelten
Winkellage ermittelt.
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Gemäß einer
Weiterbildung ist vorgesehen, daß das Sensorelement zusätzlich Diagnosesignale ausgibt,
die zur Ermittlung und Plausibilisierung des Gurtbandabzugs herangezogen
werden. Bei den Diagnosesignalen handelt es sich z.B. um Informationen,
ob das Magnetfeld die richtige Stärke hat und ausreichend linear
für die
Bestimmung der Winkellage ist.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung mehrerer bevorzugter Ausführungsformen anhand der beigefügten Zeichnung.
In dieser zeigt:
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1 eine
Ansicht eines erfindungsgemäßen Gurtaufrollers;
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2 eine
Perspektivansicht der Gurtbandabzugsmeßeinrichtung des Gurtaufrollers
aus 1;
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3 eine
Explosionsansicht der Gurtbandabzugsmeßeinrichtung aus 2;
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4 eine
Seitenansicht der wesentlichen Elemente der Gurtbandabzugsmeßeinrichtung
aus 2;
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5 eine
Draufsicht auf die wesentlichen Elemente der Gurtbandabzugsmeßeinrichtung
aus 2;
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6 verschiedene
Blockschaltbilder von bei der Gurtbandabzugsmeßeinrichtung gemäß 2 verwendeten
Sensorelementen mit zugehöriger
Auswerteelektronik;
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7 eine
schematische Darstellung eines bei der Gurtbandabzugsmeßeinrichtung
gemäß 2 verwendeten
Sensorelements; und
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8 schematisch
den Zusammenhang zwischen der Ausrichtung des Magneten und der vertikalen
Magnetfeldkomponente, die vom Sensorelement zur Bestimmung des Gurtbandabzugs
erfaßt wird.
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1 zeigt
einen erfindungsgemäßen Gurtaufroller 10,
der eine Gurtspule 12 aufweist, auf der das in der Figur
nicht dargestellte Gurtband aufgewickelt wird. Die Achse der Gurtspule 12 ist
zwischen einer Triebfederschale 14, in der eine in der
Figur nicht dargestellte Triebfeder zum Aufrollen des Gurtbands
untergebracht ist, und einer Sperrseitenschale 16 spitzengelagert.
In der Sperrseitenschale 16 ist ein Sperrsystem enthalten,
das über
einen fahrzeugsensitiven Sensor sowie einen gurtbandsensitiven Sensor
die Verzögerung
des Fahrzeugs bzw. des Insassen registriert.
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In
der Sperrseitenschale 16 ist auch ein Kindersicherungssystem
untergebracht. Dieses weist ein Stufenzahnrad 18 auf (siehe 2 bis 5), dessen äußere Verzahnung 20 mit
einer Verzahnung 22 an der Gurtspule 12 kämmt. Das
Stufenzahnrad 18 untersetzt dabei die Umdrehungen der Gurtspule 12 über eine
innere Verzahnung 24 auf eine Steuerscheibe 26,
bei der es sich um ein Schaltrad mit Innenverzahnung 28 handelt.
Bei der gezeigten Ausführungsform
wird der komplette Gurtbandabzug auf ca. eine ¾-Umdrehung der Steuerscheibe 26 abgebildet.
Die Steuerscheibe 26 ist also über ein Untersetzungsgetriebe
mit der Gurtspule 12 gekoppelt, das im wesentlichen durch
das Stufenzahnrad 18 gebildet wird. Bei Komplettabzug des
Gurtbands wird eine Wippe (nicht gezeigt) betätigt, die das Sperrsystem aktiviert.
Damit können
Kindersitze sicher im Fahrzeug befestigt werden. Beim Ablegen des
Gurtbandes wird diese Wippe durch eine zweite Rastnase deaktiviert.
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Ebenfalls
in der Sperrseitenschale 16 angeordnet ist eine Gurtbandabzugsmeßeinrichtung 30, die
ebenfalls die Steuerscheibe 26 nutzt, um zu bestimmen,
wieviel Gurtband von der Gurtspule 12 abgezogen ist oder
wird. Zu diesem Zweck weist die Steuerscheibe 26 eine zusätzliche
umlaufende Verzahnung 32 auf, die die Drehbewegung der
Steuerscheibe 26 über
ein Zwischenrad 34 auf ein Magnetzahnrad 36 überträgt. Das
Magnetzahnrad 36 ist als separates Teil ausgebildet und
kann aus einem kunststoffgebundenen Magnetmaterial bestehen oder,
wie in den Figuren gezeigt, ein gewöhnliches Zahnrad mit einem
darin eingebetteten Magneten 38 sein.
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Der
Magnet 38 ist derart angeordnet, daß seine Pole sich (bezogen
auf das Zentrum des Magnetzahnrads 36) diametral gegenüberliegen.
Unmittelbar gegenüber
dem Magnetzahnrad 36 ist ein magnetisches Sensorelement 40 in
der Sperrseitenschale 16 untergebracht, das radial außerhalb
der Steuerscheibe 26 angeordnet ist. Das Sensorelement 40 ist
bezogen auf die Blickrichtung der 5 unterhalb
des Magnetzahnrads 36 flach angebracht und erfaßt eine Änderung
des durch den Magneten 38 erzeugten Magnetfelds. Da diese Änderung
des Magnetfelds geometrisch mit dem Gurtbandabzug gekoppelt ist
und ein Komplettabzug des Gurtbands durch die gewählte Anordnung
auf eine Umdrehung des Magnetzahnrads 36 reduziert wird,
handelt es sich um eine absolute Messung. Mit einer entsprechenden
Mechanik ließe
sich das Übersetzungsverhältnis weiter
verringern, um eine höhere
Auflösung der
Meßwerte
zu erreichen. Mit 42 ist eine Abdeckung bezeichnet.
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Abweichend
von der in den Figuren gezeigten Ausgestaltung kann das Sensorelement 40 (inkl. einer
zugehörigen
Platine) mit dem Magnetzahnrad 36 sowie einem gemeinsamen
Trägerteil
eine Vormontagegruppe bilden, die bei der Montage in die Sperrseitenschale 16 geschoben,
in Eingriff mit der (bestehenden) Kindersicherungs-Verzahnung gebracht
und fixiert wird. Dabei ist das Trägerteil vorzugsweise magnetisch
neutral. Ein Vorteil dieser Ausgestaltung ist die separate Prüfbarkeit
der Vormontagegruppe, die sich zudem bei entsprechender Beschaltung
der Platine kalibrieren läßt. Außerdem ist
das Material des Trägerteils
unabhängig
vom Schalenmaterial, was sich günstig
auf die Temperaturbeständigkeit,
die Positioniergenauigkeit, das Dauerlaufverhalten sowie den Bauraum
auswirkt.
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Je
nach verwendetem Sensorelement 40 sind unterschiedliche
Möglichkeiten
zur Anbindung des Sensorelements und Verwertung der vom Sensorelement
ausgegebenen Signale möglich.
Wie aus 6 hervorgeht, ist das Sensorelement 40 mit
einer Auswerteelektronik 44 gekoppelt, die aus den vom Sensorelement 40 ausgegebenen
Signalen den Gurtbandabzug ermittelt. Gemäß einer ersten Ausführungsform
(6a) ist vorgesehen, daß die Auswerteelektronik 44 in
Form eines Mikrocontrollers vom Sensorelement Signale über den
Sinus- und Kosinusvektor des Magnetfelds empfängt und aus diesen Informationen
den Gurtbandabzug (bzw. die Position der Gurtspule) ermittelt.
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Eine
alternative Ausgestaltung gemäß 6b sieht vor, daß die Auswerteelektronik 44 vom Sensorelement 40,
das über
eine integrierte Winkelberechnung verfügt, ein analoges oder pulsweitenmoduliertes
Signal empfängt,
welches unmittelbar die Winkelstellung des Magneten 38 zum
Sensorelement 40 angibt. 6c sieht
ebenfalls ein Sensorelement 40 mit integrierter Winkelberechnung
vor, wobei dieses ein digitales Signal an die Auswerteelektronik 44 ausgibt.
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Bei
der Ausführungsform
nach 6d werden vom Sensorelement 40 zusätzlich zur
Magnetfeld-Winkelinformation Diagnosesignale an die Auswerteelektronik 44 übermittelt,
die zur Berechnung und Plausibilisierung des Gurtbandabzugs verwendet
werden. Dabei handelt es sich um Informationen, ob das Magnetfeld
die richtige Stärke
hat und ausreichend linear für
die Positionsbestimmung ist.
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Die
Auswerteelektronik 44 kann als eigenständiges Steuergerät ausgeführt sein,
vorteilhaft wird jedoch ein vorhandenes Steuergerät (ACR, Fahrzeugsitz-Steuergerät, Gassackmodul-Steuergerät, Kombinationssteuergerät etc.)
verwendet, um die Signale des Sensorelements 40 einzulesen
und daraus den Gurtbandabzug zu bestimmen. Die Information über den
Gurtbandabzug kann beispielsweise über ein Fahrzeugbussystem an
weitere Steuergeräte übertragen
werden, die diese Information benötigen.
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7 zeigt
ein Beispiel für
ein Sensorelement 40 mit integrierter Winkelberechnung.
Dieses weist einen Chip 46 mit vier symmetrisch zum Mittelpunkt
M des Chips 46 angeordneten Hall-Sensoren 48 auf.
Die von den Hall-Sensoren 48 ausgegebenen Signale sind
mit X1, X2, V1 und Y2 (vgl. 7)
bezeichnet. Das Sensorelement 40 mit dem Chip 46 befindet
sich in einer aufrollerfesten Position gegenüber dem Magneten 38,
der sich relativ zum Chip 46 drehen kann und somit den
Winkel seiner magnetisch neutralen Achse in Bezug auf die Hall-Sensoren 48 ändert. Der
Magnet 38 ist diametral oder einseitig zweipolig magnetisiert.
Die Orientierung und Konfiguration der Hall-Sensoren 48 ist
so gewählt,
daß mit Hilfe
der Vertikalkomponente des Magnetfelds, die in 8 für den dort
abgebildeten Magneten 38 dargestellt ist, die Winkellage
des Magneten 38 relativ zum Sensorelement 40 gemessen
werden kann.
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Das
Differenzsignal Y1 – Y2 ergibt
einen Sinusvektor des magnetischen Feldes, während das Differenzsignal X1 – X2 einen dazu orthogonalen Kosinusvektor ergibt.
Der Winkel Φ zwischen
dem Magneten 38 und dem Sensorelement 40 läßt sich
mit folgender Gleichung berechnen:
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Anhand
des Winkels Φ zwischen
dem Magneten 38 und dem Sensorelement 40 wird
in der Auswerteelektronik 44 der Gurtbandabzug bestimmt.
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In 8 bezeichnet
A die Drehachse des Magneten 38, die durch den Mittelpunkt
M des Chips verläuft.
Mit R1 ist der Abstand der Hall-Sensoren 48 vom
Mittelpunkt M bezeichnet.
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Alternativ
kann ein sogenannter GMR-Sensor oder AMR-Sensor eingesetzt werden,
der über sein
Sensorelement den absoluten Winkel des Magnetfelds und damit den
absoluten Gurtbandabzug detektiert. Dabei kommt in beiden Fällen ein
Diametralmagnet zum Einsatz. Es werden die horizontalen Magnetfeldlinien
zur Auswertung des Winkels herangezogen.
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Um
zuverlässige
Meßwerte
zu erhalten, wird z.B. ein Seltenerdmagnet (Nd-Fe-B + Bindemittel) eingesetzt.
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Die
von der Gurtbandabzugsmeßeinrichtung 30 ermittelte
Information über
den momentan vorliegenden Gurtbandabzug (bzw. die Gurtbandposition) kann
für unterschiedliche
Anwendungen herangezogen werden. So kann durch Ermittlung des Gurtbandabzugs
und Vergleich mit einer definierten Gurtbandposition (die beispielsweise
regelmäßig überprüft wird)
beurteilt werden, ob sich der Fahrzeuginsasse nach vorne beugt.
Diese Information kann genutzt werden, um im Fahrzeug vorhandene
Rückhaltesysteme,
etwa einen zweistufigen Gassack, zu steuern bzw. anzupassen. Ebenso
kann die Information über den
Gurtbandabzug dazu genutzt werden, die Signale eines Videoerkennungssystems,
eines Gewichtssensors oder eines anderen Systems zur Personenidentifikation
und -positionierung zu plausibilisieren.
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Eine
weitere Anwendung liegt in der Ermittlung des Insassengewichts,
das sich durch eine Absolutmessung des Gurtbandabzugs mit hinreichender
Genauigkeit bestimmen läßt, sofern
Daten über die
Sitzposition sowie einen Gurthöhenversteller
vorliegen.
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Weiterhin
kann die Information über
den Gurtbandabzug für
motorunterstützte
Komfortfunktionen genutzt werden. Bei Gurtaufrollern, insbesondere
mit reversiblem Gurtstraffer, läßt sich
die Triebfederkraft reduzieren, wenn beim Ablegen des Gurtbandes
ein Motor zugeschaltet wird, der die Triebfeder in ihrer Aufrollwirkung
unterstützt.
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Wird
etwa bei einer Triebfeder mit reduzierter Kraft das Gurtband ausgezogen,
ohne daß sich
der Insasse anschnallt, so kann das Signal des Gurtbandabzugs zur
Aktivierung der Motorunterstützung dienen.
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Ein
weiterer Anwendungsfall ist der folgende. Erfährt während des Gurtbandaufrollens
nach dem Abschnallen die Motorsteuerung ein Abbremsen der Motorgeschwindigkeit,
so kann es sich um die Endposition der Steckzunge oder um ein vom
Fahrzeuginsassen oder der Fahrzeuggeometrie verursachtes Abbremsen
des Gurtbands handeln. Durch die Erfassung des Gurtbandabzugs (bzw.
dessen Änderung)
ergeben sich nun verschiedene Steuerungs- bzw. Regelungsmöglichkeiten.
So kann bei erneutem Gurtbandabzug darauf geschlossen werden, daß sich der
Insasse wieder anschnallen möchte.
Bei Stillstand des Gurtbands kann es sich um ein Bremsen des Gurtbands
an einer Sitzkontur handeln. In diesem Fall kann der Aufrollvorgang
durch den Motor beliebig of wiederholt werden, bis die Endposition
erreicht ist.
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Auch
im Falle einer Standardtriebfeder mit bedarfsweiser Motorunterstützung, die
z.B. bei tiefen Temperaturen eingesetzt wird oder um Alterungseffekte
auszugleichen, läßt sich
die Information über den
Gurtbandabzug nutzen. Erfaßt
das Sensorelement nach dem Abschnallen keine Gurtbandbewegung (also
Veränderung
des Gurtbandabzugs), so wird die Motorunterstützung aktiviert, die die Steckzunge
in ihre Endposition bringt.
