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Die
Erfindung betrifft einen Rotationsdämpfer zur Dämpfung der Drehbewegung einer
Welle, insbesondere einer Gurtaufrollerwelle in einem Fahrzeugsicherheitsgurtsystem,
mit einem Arbeitsraum, der mit einem Dämpfungsmedium gefüllt ist,
und wenigstens einem im Arbeitsraum angeordneten und relativ zum
Arbeitsraum gegen den Widerstand des Dämpfungsmediums drehbaren Rotationselement.
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Ein
solcher Rotationsdämpfer
ist z.B. aus der
DE
102 31 079 A1 bekannt. Im Inneren des mit einer hochviskosen
Dämpfungsflüssigkeit
gefüllten
Arbeitsraums sind mehrere Schaufeln an einer Achse angeordnet, die
bei einem Unfall an die Welle eines Gurtaufrollers angekoppelt wird.
So wird eine Drehung der blockierten Gurtaufrollerwelle, die im
Falle eines übermäßig starken
Zuges auf den Sicherheitsgurt möglich
ist, auf die Schaufel übertragen
und aufgrund der hohen Viskosität
der Flüssigkeit
gedämpft.
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Aus
der
DE 100 34 393
A1 , der
US 2002/0134877
A1 und der
US
6,237,959 B1 sind Rotationsdämpfer bekannt, bei denen sich
wenigstens ein mit Durchströmöffnungen
versehener Kolben längs
eines Schraubengewindes durch einen zumindest teilweise mit einem
Dämpfungsmedium
gefüllten
Arbeitsraum im Inneren einer Gurtspule bewegt, wenn sich die Gurtspule
gegenüber
dem feststehenden Schraubengewinde dreht.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, einen verstellbaren Rotationsdämpfer mit
kompakten Aufbau zu schaffen, der eine flexible Anpassung der Dämpfungskennlinie
ermöglicht.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe wird ein Rotationsdämpfer der Eingangs genannten
Art vorgeschlagen, bei dem das Verhältnis Dämpfungsmediummenge zu Arbeitsraumvolumen
wenigstens in einem Teil des Arbeitsraums während der Dämpfung der Drehbewegung veränderbar
ist. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß der Widerstand, den das Dämpfungsmedium
einer Drehung des Rotationselements im Arbeitsraum entgegengesetzt,
wesentlich von dessen Dichte abhängt,
wobei unter „Dichte" nicht zwingend die
physikalische Stoffeigenschaft, sondern das genannte Verhältnis zwischen
dem Volumen des Arbeitsraums und der darin befindlichen Menge des
Dämpfungsmediums
zu verstehen ist. Eine Änderung
dieses Verhältnisses
während
der Dämpfung
der Drehbewegung kann bei einem Gurtaufroller mit Kraftbegrenzungsfunktion
zur Verstellung des Kraftbegrenzungsniveaus genutzt werden. Die
Veränderung
des Verhältnisses
kann auf unterschiedliche Weise erreicht werden: Entweder wird die Menge
des Dämpfungsmediums
im Arbeitsraum verkleinert (oder vergrößert), oder das Dämpfungsmedium
wird durch eine Volumenänderung
des Arbeitsraums komprimiert (oder ausgedehnt). Auch eine Kombination
beider Maßnahmen
ist denkbar. So kann die Dämpfungskennlinie
gezielt an die jeweiligen Bedürfnisse
angepaßt
werden.
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Eine
solche Anpassung der Dämpfungskennlinie
kann beim erfindungsgemäßen Rotationsdämpfer auf
besonders einfache Weise mittels eines im Arbeitsraum verschiebbaren
Verstellelements vorgenommen werden. Das Verstellelement sorgt direkt oder
indirekt für
eine Änderung
der Dämpfungsmediummenge
oder des Arbeitsraumvolumens.
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Vorzugsweise
umfaßt
eine Steuerung für
das Verstellelement eine Kupplung, durch deren Aktivierung das Verstellelement
in Abhängigkeit
der Drehbewegung der Welle verschoben wird.
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Im
Falle eines Fahrzeugsicherheitsgurtsystems ist es vorteilhaft, eine
Stelleinrichtung zur Aktivierung der Kupplung in Abhängigkeit
von insassen-, fahrzeug- und/oder unfallspezifischen Parametern vorzusehen.
Die Anpassung der Kraftbegrenzungskennlinie kann dann gezielt von
bestimmten Umständen
abhängig
gemacht werden.
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Bei
den bevorzugten Ausführungsformen
der Erfindung ist das Verstellelement auf einer Achse gelagert,
die durch die Kupplung an die Welle koppelbar ist. So kann die Drehung
der Welle effizient als Antrieb für das Verstellelement genutzt
werden.
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Gemäß einem
ersten Aspekt der Erfindung weist das Verstellelement Bohrungen
auf, durch die Dämpfungsmedium
hindurchtreten kann, um die Menge des Dämpfungsmediums im Arbeitsraum
zu reduzieren (oder zu erhöhen).
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Gemäß einem
zweiten Aspekt der Erfindung ist wenigstens ein Teilarbeitsraum
durch ein verschiebbares Begrenzungselement abgegrenzt, so daß das Dämpfungsmedium
im Teilarbeitsraum durch eine Verschiebung des Begrenzungselements komprimiert
(oder ausgedehnt) werden kann.
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Als
Rotationselement kann ein Stift verwendet werden. Für den Einsatz
in einem erfindungsgemäßen Rotationsdämpfer sind
Stifte geeignet, die kostengünstig
herstellbar sind und keiner besonderen Lager bedürfen.
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Besonders
vorteilhaft ist eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Rotationsdämpfers,
bei der der Arbeitsraum im Inneren der Welle angeordnet ist. Dadurch
ergibt sich ein äußerst kompakter
Aufbau, bei dem kein zusätzlicher
axialer Bauraum benötigt wird.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
und aus den beigefügten
Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:
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1 eine
perspektivische Schnittansicht eines Rotationsdämpfers gemäß einer ersten Ausführungsform
der Erfindung;
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2 den
Rotationsdämpfer
aus 1 ohne Zahnscheibe und Gurtaufrollerwelle;
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3 ein
Kraft-Weg-Diagramm der ersten Ausführungsform;
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4 eine
perspektivische Schnittansicht eines Rotationsdämpfers gemäß einer zweiten Ausführungsform
der Erfindung;
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5 ein
Kraft-Weg-Diagramm der zweiten Ausführungsform;
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6a, 6b schematisch
eine Stelleinrichtung für
den erfindungsgemäßen Rotationsdämpfer in
einer ersten Einstellung vor bzw. während eines Fahrzeugzusammenstoßes; und
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7a, 7b die
Stelleinrichtung in einer zweiten Einstellung vor bzw. während eines
Fahrzeugzusammenstoßes.
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In 1 ist
ein Teil eines Gurtaufrollers für ein
Fahrzeugsicherheitsgurtsystem mit einem Rotationsdämpfer zur
Dämpfung
der Drehbewegung der Welle 10 des Gurtaufrollers dargestellt.
Auf der Gurtaufrollerwelle 10 ist Gurtband 12 aufgewickelt,
so daß sich
die Gurtaufrollerwelle 10 beim Abziehen von Gurtband 12 (Pfeil
A) in eine Gurtbandabzugsrichtung dreht (Pfeil B) und beim Aufwickeln
von Gurtband 12 in eine Gurtbandaufwickelrichtung. Eine Zahnscheibe 14 ist
konzentrisch zur Gurtaufrollerwelle 10 angeordnet und dreht
sich im Normalbetrieb des Gurtaufrollers mit der Gurtaufrollerwelle 10 mit. Durch
Einsteuern einer fahrzeugund/oder gurtbandsensitiven Blockierklinke 16 kann
die Drehbewegung der Zahnscheibe 14 in Gurtbandabzugsrichtung
blockiert werden.
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Im
Inneren der Gurtaufrollerwelle 10 ist ein drehfest mit
der Gurtaufrollerwelle 10 verbundenes Innengehäuse 18 aufgenommen,
das einen Arbeitsraum 20 begrenzt. Der Arbeitsraum 20 ist
im wesentlichen vollständig
mit einem Dämpfungsmedium
hoher Viskosität
aufgefüllt.
Die Zahnscheibe 14 und die Gurtaufrollerwelle 10 sind
von einer Achse 22 durchsetzt, die ein Außengewinde 24 hat.
Die Gewindeachse 22 ist in einer momentenschlüssig mit
der Zahnscheibe 14 verbundenen Koppelscheibe 26 und zwei
im Innengehäuse 18 angeordneten
Verstärkungsscheiben 28, 30 sowie
in dem der Zahnscheibe 14 abgewandten Ende der Gurtaufrollerwelle 10 drehbar
gelagert (siehe auch 2). Die Koppelscheibe 26 ist
in einem Hohlraum 32 der Zahnscheibe 14 auf der
der Gurtaufrollerwelle 10 zugewandten Seite aufgenommen.
Die erste Verstärkungsscheibe 28 ist
etwa auf halber axialer Länge
des Innengehäuses 18 angeordnet,
während
die zweite Verstärkungsscheibe 30 an
der der Zahnscheibe 14 abgewandten Stirnseite des Innengehäuses 18 anliegt. Die
Verstärkungsscheiben 28, 30 und
die Koppelscheibe 26 sind fest mit mehreren Rotationselementen
in Form von Stiften 34 verbunden, die sich axial im Innengehäuse 18 erstrecken
und vom Dämpfungsmedium
umgeben sind.
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Ferner
ist im Arbeitsraum 20 eine Verstellscheibe 36 vorgesehen,
die auf das Außengewinde 24 der
Gewindeachse 22 aufgeschraubt ist. Die Verstellscheibe 36 ist
von den axialen Stiften 34 durchsetzt, aber nicht fest
mit diesen verbunden. Im Ausgangszustand des Gurtaufrollers vor
einer Kraftbegrenzung liegt die Verstellscheibe 36 an der
Koppelscheibe 26 an (siehe 2). Durch
eine Drehung der Gewindeachse 22 in Gurtbandabzugsrichtung
(Pfeil B) erfährt
die Verstellscheibe 36 eine axiale Verschiebung in Richtung
des Pfeils C. Sowohl die Verstellscheibe 36 als auch die
erste Verstärkungsscheibe 28 weisen
mehrere Bohrungen 38 auf, durch die das viskose Dämpfungsmedium
hindurchtreten kann.
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Das
der Zahnscheibe 14 abgewandte Ende der Gewindeachse 22 ist über eine
Kupplung selektiv an die Gurtaufrollerwelle 10 koppelbar.
Die Kupplung besteht im wesentlichen aus einem mit der Gewindeachse 22 drehfest
verbunden ersten Kupplungsteil 40 und einem drehfest an
die Gurtaufrollerwelle 10 gekoppelten zweiten Kupplungsteil 42.
Die beiden Kupplungsteile 40, 42 sind komplementär zueinander ausgebildet
und im Normalbetrieb des Gurtaufrollers axial voneinander beabstandet,
wie in 2 gezeigt. Durch eine später beschriebene Stelleinrichtung kann
das zweite Kupplungsteil 42 axial verschoben und in Rasteingriff
mit dem ersten Kupplungsteil 40 gebracht werden (siehe 1),
so daß sich
eine Drehbewegung der Gurtaufrollerwelle 10 auf die Gewindeachse 22 überträgt. Anstelle
einer solchen Axialkupplung kann auch eine Radialkupplung vorgesehen
sein, die die Gewindeachse 22 an die Gurtaufrollerwelle 10 koppelt.
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Die
Viskosität
des Dämpfungsmediums
ist so gewählt,
daß im
Normalbetrieb des Gurtaufrollers die Drehbewegung der Gurtaufrollerwelle 10 beim
Gurtbandabzug bzw. beim Gurtbandaufwickeln kraftschlüssig über das
Innengehäuse 18 und
das Dämpfungsmedium
auf die axialen Stifte 34 und die Koppelscheibe 26 übertragen
wird, so daß sich
die Gurtaufrollerwelle 10 und die Zahnscheibe 14 gemeinsam
drehen. Im Falle einer Blockierung der Zahnscheibe 14 durch
die Blockierklinke 16 ist aufgrund dieser kraftschlüssigen Kopplung
auch die Gurtaufrollerwelle 10 blockiert, d.h. es kann
kein Gurtband 12 abgezogen werden. Übersteigt jedoch die im Gurtband 12 wirkende
Kraft einen Schwellenwert FS, überwinden
die axialen Stifte 34 den Widerstand des Dämpfungsmediums
und „Zerscheren" dieses, d.h. es
kommt zu einer Relativdrehung zwischen dem Innengehäuse 18 und
den axialen Stiften 34. Das bedeutet, daß bei Überschreiten
des Schwellenwertes FS eine Drehung der
Gurtaufrollerwelle 10 gegenüber der feststehenden Zahnscheibe 14 stattfindet,
wobei diese Drehung durch die hohe Viskosität des Dämpfungsmediums gedämpft wird.
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Im
Falle eines großen
oder schweren Fahrzeuginsassen verbleibt die Verstellscheibe 36 in
ihrer Ausgangsposition neben der Koppelscheibe 26 (siehe 2),
und es ergibt sich der in 3 mit durchgezogener
Linie dargestellte Kraftverlauf „ohne Verstellung". Der Beginn der
Kraftbegrenzungsphase entspricht gemäß dem Diagramm einer Gurtbandabzugslänge I1.
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Im
Falle eines kleinen oder leichten Fahrzeuginsassen kann das Kraftniveau
in der Kraftbegrenzungsphase gesenkt werden. Dazu wird über die genannte
Stelleinrichtung die Kupplung betätigt (wie zuvor beschrieben),
so daß sich
die Drehbewegung der Gurtaufrollerwelle 10 auf die Gewindeachse 22 überträgt. Die
Drehung der Gewindeachse 22 in Gurtbandabzugsrichtung führt dazu,
daß die
Verstellscheibe 36 auf dem Gewinde 24 der Gewindeachse 22 in
Richtung des Pfeils C axial verschoben wird. Durch die Bohrungen 38 in
der ersten Verstärkungsscheibe 28 und
in der Verstellscheibe 36 kann das Dämpfungsmedium bis in den Hohlraum 32 entweichen.
Dadurch verringert sich der Widerstand, den das Dämpfungsmedium
einer Drehung der axialen Stifte 34 entgegensetzt, und
das Niveau der Kraftbegrenzung sinkt. Die Verstellscheibe 36 kann
maximal bis zur ersten Verstärkungsscheibe 28 verschoben werden.
Diese Position der Verstellscheibe ist in 1 dargestellt.
Die erste Verstärkungsscheibe 28 dient
also als fester axialer Anschlag für die Verstellscheibe 36.
Bei einer weiteren Drehung der Gurtaufrollerwelle 10 bleibt
das Kraftbegrenzungsniveau konstant, weil kein Dämpfungsmedium mehr verdrängt wird.
Der Kraftverlauf für
diesen Fall „mit
Verstellung" ist
in 3 mit gestrichelter Linie dargestellt. Die Gurtbandabzugslänge 12 entspricht dem Auftreffen der Verstellscheibe 36 auf
die erste Verstärkungsscheibe 28.
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In 4 ist
eine weitere Ausführungsform der
Erfindung dargestellt, die der zuvor beschriebenen Ausführungsform
sehr ähnlich
ist, so daß insoweit
auf die obigen Ausführungen
verwiesen werden kann. Der wesentliche Unterschied besteht darin, daß die erste
Verstärkungsscheibe 28 keine
Bohrungen aufweist und axial verschiebbar ist, d.h. es besteht keine
feste Verbindung zwischen der ersten Verstärkungsscheibe 28 und
den axialen Stiften 34. Somit ist der Verstellweg der Verstellscheibe 36 nicht durch
die erste Verstärkungsscheibe 28,
sondern nur durch die Gewindelänge
der Gewindeachse 22 begrenzt. Wenn die Verstellscheibe 36 auf
die erste Verstärkungsscheibe 28 trifft,
nimmt sie diese in axialer Richtung mit. Dabei kommt es zu einer
Kompression des Dämpfungsmediums
in dem Teil 20a des Arbeitsraums 20, der durch
die beiden Verstärkungsscheiben 28 und 30 begrenzt
ist. Aufgrund der Verkleinerung des Teilarbeitsraumvolumens und
der dadurch bedingten Verdichtung des Dämpfungsmediums wächst der
Widerstand gegen eine Drehung der axialen Stifte 34. Dementsprechend
steigt also das Kraftbegrenzungsniveau nach dem Auftreffen der Verstellscheibe 36 auf
die erste Verstärkungsscheibe 28 an.
Die Kraftverläufe
für diese
Ausführungsform „ohne Verstellung" und „mit Verstellung" sind in 5 mit
durchgezogener bzw. gestrichelter Linie dargestellt.
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In
beiden Ausführungsformen
lassen sich durch Variation des Durchmessers des Innengehäuses 18,
der Stiftlänge,
der Stiftgeometrie, der Stiftdurchmesser, der Anzahl und Anordnung
der Stifte sowie der Eigenschaften des Dämpfungsmediums unterschiedliche
Dämpfungskennlinien
einstellen.
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In
den 6a und 6b ist
ein Beispiel einer für
beide Ausführungsformen
geeigneten mechanischen Stelleinrichtung dargestellt, mit der die
beiden Koppelelemente 40, 42 des Gurtaufrollers
selektiv in Eingriff miteinander gebracht werden können. Dem
zweiten Kopplungselement 42, das drehfest an die (hier
nicht dargestellte) Gurtaufrollerwelle 10 gekoppelt ist,
liegt ein Druckaktuator 44 gegenüber, der mit einer ersten Druckfeder 46 in
Richtung des zweiten Koppelelements 40 vorgespannt ist,
aber durch einen Sperrhebel 48 zurückgehalten wird. Der Sperrhebel 48,
der seinerseits durch eine zweite Druckfeder 50 in eine
Freigabestellung vorgespannt ist, wird durch eine Platte 52 in
einer Sperrstellung gehalten. Die Platte 52 ist wiederum
durch eine dritte Druckfeder 54 gegen die Fahrtrichtung
D beaufschlagt.
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6a zeigt
eine erste Einstellung der Stelleinrichtung für den Fall eines kleinen oder
leichten Fahrzeuginsassen. Ein solcher Insasse nimmt im Vergleich
zu einem großen
oder schweren Fahrzeuginsassen im allgemeinen eine Sitzposition
mit weiter vorgerücktem
Sitz 58 (bezüglich
der Fahrtrichtung D) ein. In diesem Fall ist ein über einen
Bowdenzug 56 an den Sitz 58 gekoppeltes Steuerelement 60 nicht
mit der Platte 52 verbunden. Bei einer abrupten Fahrzeugverzögerung (siehe 6b)
kann die Platte 52 daher aufgrund ihrer Trägheit gegen
die Kraft der dritten Druckfeder 54 in Fahrtrichtung D
ausgelenkt werden. Dadurch gibt sie den Sperrhebel 48 frei,
der wiederum den Druckaktuator 44 freigibt. Der Druckaktuator 44 drückt das
zweite Kupplungsteil 42 in Eingriff mit dem ersten Kupplungsteil 40,
das drehfest mit der Gewindeachse 22 verbunden ist.
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Die 7a und 7b zeigen
die gleichen Situationen für
den Fall eines großen
oder schweren Fahrzeuginsassen, der eine Sitzposition mit weiter zurückgerücktem Sitz 58 einnimmt.
In dieser zweiten Einstellung der Stelleinrichtung greift das über den Bowdenzug 56 an
den Sitz 58 gekoppelte Steuerelement 60 in eine
Ausnehmung der Platte 52 ein, wodurch bei einer abrupten
Fahrzeugverzögerung
eine Auslenkung der Platte 52 verhindert wird.
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Dementsprechend
kommt es zu keiner Freigabe des Sperrhebels 48, und der
Druckaktuator 44 bleibt inaktiv. Es kommt in diesem Fall
also zu keiner Übertragung
der Drehbewegung der Gurtaufrollerwelle 10 auf die Gewindeachse 22 und
damit zu keiner Verschiebung der Verstellscheibe 36 im
Arbeitsraum 20.
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Anstelle
einer solchen rein mechanisch ausgeführten Stelleinrichtung kann
auch eine elektrische Ansteuerung über einen mechatronischen Aktuator vorgesehen
sein. In diesem Fall können
beliebige insassen-, fahrzeug- und/oder unfallspezifische Daten in
die Steuerung einfließen.