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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 Schutz
des Insassen, z.B. in Gurtaufrollern eingesetzte Kraftbegrenzer,
je nach Unfallschwere und Insassenposition in ihrer Leistung angepaßt. Hierzu
ist die Information des relativen bzw. absoluten Gurtbandabzugs
sehr hilfreich.
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Bei
Gurtaufrollern, bei denen eine Aufrollertriebfeder zum Aufwickeln
des Gurtbandes durch einen Motor unterstützt wird, um im angeschnallten
Zustand einen erhöhten
Komfort zu gewährleisten,
ist es ebenfalls nötig,
den Gurtbandabzug bzw. die 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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Zur
Bestimmung des Gurtbandabzugs in einem Gurtaufroller sind Systeme
bekannt, bei denen eine Steuerscheibe eines Kindersicherungssystems mit
einem Signalgeber versehen ist, so daß über einen zugeordneten Sensor
deren Drehung erfaßt
werden kann. Die Steuerscheibe ist während des normalen Fahrbetriebs über ein
Untersetzungsgetriebe derart mit der Gurtspule gekoppelt, daß der komplette Gurtbandabzug
auf circa eine Umdrehung der Steuerscheibe abgebildet wird. Auf
diese Weise lassen sich die Umdrehungen der Gurtspule und damit
der Gurtbandabzug ermitteln.
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Die
Erfindung schafft einen Gurtaufroller für ein Sicherheitsgurtsystem
bzw. ein Verfahren zur Bestimmung des Gurtbandabzugs, mittels dem
sich auf einfache Weise der relative Gurtbandabzug in einem Rückhaltefall
bestimmen läßt.
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Hierzu
ist gemäß einem
ersten Aspekt der Erfindung ein Gurtaufroller für ein Sicherheitsgurtsystem
vorgesehen, mit einer in einem Rahmen drehbar gelagerten Gurtspule,
einem Sperrmechanismus, der die Gurtspule in einem Rückhaltefall über einen
Kraftbegrenzer mit dem Rahmen koppelt, und einer Gurtbandabzugsmeßeinrichtung,
die einen Signalgeber und wenigstens einen dem Signalgeber zugeordneten
Sensor aufweist, der eine Änderung
eines Magnetfelds erfaßt,
wobei der Signalgeber zumindest nach Aktivierung des Sperrmechanismus
derart mit der Gurtspule gekoppelt ist, daß er bei deren Drehung ein
Signal erzeugt. Im Unterschied zu im Stand der Technik beschriebenen
Systemen ist beim erfindungsgemäßen Gurtaufroller
eine Erfassung des Gurtbandabzugs (auch) in einer Kraftbegrenzungsphase
nach „Sperrung" der Gurtspule möglich, in
der aufgrund der Vorwärtsverlagerung
des Fahrzeuginsassen eine gewisse Länge des Gurtbands abgezogen
und dabei die Gurtspule unter Überwindung
des Kraftbegrenzers verdreht wird. Natürlich kann ebenso der Sensor
mit der Gurtspule gekoppelt und der Signalgeber, etwa am Rahmen,
drehfest angeordnet sein.
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Vorzugsweise
wird das Magnetfeld durch einen Permanentmagneten erzeugt, liegt
also ständig an.
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Eine
besonders einfach zu realisierende Ausgestaltung erhält man,
wenn der Signalgeber auf der dem Sperrmechanismus abgewandten Seite
der Gurtspule angeordnet ist.
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In
bevorzugter Weiterbildung der Erfindung weist der Signalgeber wenigstens
einen (Permanent-)Magneten auf. Insbesondere handelt es sich um
einen oder mehrere Einzel- bzw. Stabmagnete, um einen geschlossenen
oder offenen Magnetring oder eine Magnetscheibe.
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Eine
einfache und zuverlässige
Möglichkeit zur
Erfassung der Gurtspulendrehung ergibt sich dadurch, daß die Änderung
des Magnetfelds durch eine Drehung des Signalgebers relativ zum
Sensor erreicht wird. Insbesondere dreht sich der Signalgeber mit
der Gurtspule mit, wobei zwischen beiden ein Untersetzungsgetriebe
angeordnet sein kann.
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Bei
einem sich drehenden Signalgeber kann die Achse des Magneten parallel,
senkrecht oder unter einem spitzen Winkel zur Drehachse des Signalgebers
aus gerichtet sein. Im Sinne der Erfindung ist unter der Achse des
Magneten die Verbindungslinie von Nord- und Südpol zu verstehen. Außerdem kann der
Magnet zentrisch oder exzentrisch zur Drehachse angeordnet sein.
Die für
die konkrete Ausgestaltung bevorzugte Ausrichtung des Magneten hängt insbesondere
vom verwendeten Sensor ab, der wiederum zentrisch zum erzeugten
Magnetfeld oder radial gegenüber
diesem verschoben angeordnet sein kann.
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Gemäß einer
ersten bevorzugten Ausführungsform
ist eine pyrotechnische Straffeinheit vorgesehen, bei deren Aktivierung
der Signalgeber an die Gurtspule angekoppelt wird. Bei einem Unfall
wird die pyrotechnische Straffeinheit aktiviert, woraufhin die Gurtbandabzugsmeßeinrichtung
den Gurtbandabzug erfaßt.
Diese Ausführungsform
eignet sich besonders, wenn die Bestimmung des Gurtbandabzugs nur
während
eines Unfalls relevant ist. Natürlich
läßt sich
die beschriebene Ausgestaltung mit einer weiteren Gurtbandabzugsmeßeinrichtung
kombinieren, die den Gurtbandabzug während des normalen Fahrbetriebs
erfaßt,
jedoch in einem Rückhaltefall
bei Aktivierung des Sperrmechanismus deaktiviert wird.
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Insbesondere
ist der Signalgeber in ein Getriebe integriert, über das die pyrotechnische
Straffeinheit bei ihrer Aktivierung an die Gurtspule angekoppelt
wird. Es wird also ein ohnehin vorhandenes Bauteil, nämlich ein
Zahnrad des Getriebes, verwendet. Somit wird eine bauraumsparende
Ausgestaltung erreicht, die das Aufrollverhalten nicht beeinflußt.
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Eine
weitere bevorzugte Ausführungsform der
Erfindung sieht vor, daß der
Signalgeber an einem koaxial mit der Gurtspule verbundenen Bauteil des
Gurtaufrollers angeordnet ist. Wieder läßt sich Bauraum sparen, und
das Aufrollverhalten wird nicht beeinflußt.
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Die
Gurtspule weist vorzugsweise einen Achsbolzen aus Metall auf, der
das Bauteil durchragt. Damit kann in Abhängigkeit vom Material des Achsbolzens
das zur Messung des Gurtbandabzugs dienende Magnetfeld verstärkt werden
(ferro- bzw. weichmagnetisches
Material) oder unbeeinflußt
bleiben (hartmagnetisches Material).
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Insbesondere
ist der Signalgeber an einem Federherz einer Aufrollertriebfeder
angeordnet. Da dieses sich auch bereits im normalen Aufrollerbetrieb,
also vor einem möglichen
Unfall, mit der Gurtspule mitdreht, kann das erfaßte Gurtbandabzugssignal
für aktive,
motorunterstützte
Zusatzfunktionen verwendet werden.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung weist der Signalgeber ein separates, mit der Gurtspule
gekoppeltes Rad auf.
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Das
Rad kann axial neben der Gurtspule angeordnet sein; alternativ ist
eine koaxiale Anordnung denkbar.
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Gemäß einer
ersten Alternative ist das Rad ein Magnetrad, also zum Beispiel
ein Zahnrad mit darin eingelassenem Magneten.
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Alternativ
kann das Rad ein verzahntes Eisenrad sein, welches mit einem im
Abstand zum Rad angeordneten Permanentmagneten zusammenwirkt und
dessen Magnetfeld je nach Stellung des Rads verstärkt oder
abschwächt.
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Eine
direkte Messung des Drehwinkels der Gurtspule ist möglich, wenn
der Sensor ein Magnet-Drehwinkelgeber ist. Dieser weist bevorzugt
einen Meßbereich
von 360° auf
und kann auf dem Hall-, GMR- oder AMR-Effekt beruhen. Der Sensor liefert
als Ausgangssignal den absoluten Winkel, die Winkelgeschwindigkeit
oder ein inkrementelles Signal mit oder ohne Richtungssignal.
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Alternativ
kann der Sensor ein Magnetfeldsensor sein, der die Magnetfeldstärke bzw.
magnetische Flußdichte
mißt.
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Der
Sensor ist vorzugsweise mit einem Steuergerät gekoppelt, das aus den vom
Sensor ausgegebenen Signalen den Gurtbandabzug ermittelt. Bei dem
Steuergerät
handelt es sich zum Beispiel um ein Steuergerät für ein Gassackmodul, das ohnehin
im Fahrzeug vorhanden ist.
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Verfügt der Sensor über keine
zum einlesenden Steuergerät
kompatible Schnittstelle, so können die
vom Sensor ausgegebenen Signale zunächst von einem Mikrocontroller
umgewandelt und an das Steuergerät
weitergeleitet werden.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Bestimmung des
Gurtbandabzugs in einem Gurtaufroller vorgesehen, der insbesondere
in der zuvor beschriebenen Art ausgebildet ist, wobei ein Sensor
die Drehung einer Gurtspule während
einer Kraftbegrenzungsphase des Gurtaufrollers erfaßt. Diese
Informationen können
genutzt werden, um beispielsweise einen schaltbaren Kraftbegrenzer
während
der Rückhalte-
bzw. Kraftbegrenzungsphase zu schalten.
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Vorzugsweise
erfaßt
der Sensor jede Drehung der Gurtspule, auch bereits vor einer Kraftbegrenzungsphase.
In diesem Fall lassen sich die erfaßten Signale auch für aktive,
motorunterstützte
Zusatzfunktionen verwenden.
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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 Gurtaufrollers gemäß einer
ersten Ausführungsform
der Erfindung;
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2 eine
Seitenansicht des Gurtaufrollers aus 1;
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3 eine
Ansicht der für
die Funktion der Gurtbandabzugsmeßeinrichtung wesentlichen Bauteile
des Gurtaufrollers aus 1;
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4 eine
Ansicht der pyrotechnischen Straffeinheit des Gurtaufrollers aus 1;
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5 eine
Schnittansicht eines Gurtaufrollers gemäß einer zweiten Ausführungsform
der Erfindung;
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6 eine
Seitenansicht des Gurtaufrollers aus 5; 7 eine
perspektivische Ansicht des Gurtaufrollers aus 5;
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die 8a bis 8g unterschiedliche
Anordnungsmöglichkeiten
magnetischer Signalgeber beim Gurtaufroller der 5 bis 7,
jeweils in Perspektivansicht sowie im Längsschnitt;
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9 eine
Perspektivansicht eines Gurtaufrollers gemäß einer dritten Ausführungsform
der Erfindung;
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10 ein
vergrößertes Detail
aus 9;
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die 11a und 11b schematische
Darstellungen einer alternativen Gurtbandabzugsmeßeinrichtung,
wie sie beim Gurtaufroller der 9 eingesetzt
werden kann; und
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die 12a und 12b Blockschaltbilder
von bei den Gurtbandabzugsmeßeinrichtungen
verwendeten Sensorelementen mit zugehörigem Steuergerät.
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Die 1 bis 4 zeigen
einen Gurtaufroller 10 gemäß einer ersten Ausführungsform
der Erfindung, der eine in einem Rahmen 12 drehbar gelagerte
Gurtspule 14 aufweist, auf der das in den Figuren nicht
dargestellte Gurtband aufgewickelt wird. Die Achse der Gurtspule 14 ist
zwischen einer Triebfederschale 15, in der eine nicht dargestellte
Aufrollertriebfeder zum Aufwickeln des Gurtbands untergebracht ist,
und einer Sperrseitenschale 16 spitzengelagert. In der
Sperrseiten schale 16 ist ein Sperrmechanismus untergebracht,
der über
einen fahrzeugsensitiven und einen gurtbandsensitiven Sensor eine
Verzögerung
des Fahrzeugs bzw. des Insassen registriert und die Gurtspule 14 gegebenenfalls über einen
Kraftbegrenzer (nicht dargestellt) mit dem Rahmen 12 koppelt.
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Der
Gurtaufroller 10 weist weiterhin eine pyrotechnische Straffeinheit 18 mit
einem Kolben 20 auf, der bei Aktivierung der Straffeinheit 18 durch
das von einem Gasgenerator erzeugte Druckgas beaufschlagt wird und
sich entlang einem Zylinder bewegt (nicht gezeigt). Der Kolben 20 treibt
dadurch ein Stufenzahnrad 22 an, das Teil eines Getriebes 24 bildet, welches
die pyrotechnische Straffeinheit 18 bei ihrer Aktivierung
mit der Gurtspule 14 koppelt. Das Getriebe 24 weist
weiterhin eine Nabe 26 auf, die über eine Klemmrollenkupplung 28 direkt
an die Gurtspule 14 angekoppelt werden kann (siehe 4).
An der Nabe 26 ist ein Signalgeber 30 in Form
eines Magnetrings bzw. einer Magnetscheibe aus einem permanentmagnetischen
Material angebracht, der zusammen mit einem zugeordneten Sensor 32 eine Gurtbandabzugsmeßeinrichtung 34 bildet
(3).
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In
einem Rückhaltefall
wird die pyrotechnische Straffeinheit 18 durch Zünden des
Gasgenerators aktiviert, und der Kolben 20 bewegt sich
mit Bezug auf die Darstellung in 4 nach oben.
Das Stufenzahnrad 22 und die Nabe 26 beginnen
sich zu drehen. Mit der Nabe 26 dreht sich auch der Signalgeber 30 relativ
zum rahmenfest angeordneten Sensor 32, der die Änderung
des vom Permanentmagneten des Signalgebers 30 erzeugten
Magnetfelds erfaßt. Durch
die Drehung der Nabe 26 steuern die Rollen der Klemmrollenkupplung 28 ein
und verbinden die Nabe 26 fest mit der Gurtspule 14.
Gurtband wird eingezogen. Tritt im Verlauf des Unfalls eine Kraftbegrenzungsphase
ein, in der die über
den Kraftbegrenzer mit dem Rahmen 12 gekoppelte Gurtspule 14 durch
einen starken Zug am Gurtband in Drehung versetzt wird, so wird
auch das Getriebe 24 mit der Gurtspule 14 entgegen
der Straffrichtung zurückgedreht.
Durch die Drehung des mit der Nabe 26 verbundenen Signalgebers 30 ändert sich
die Winkellage des vom Permanentmagneten erzeugten Magnetfelds relativ
zum Sensor 32. Diese Änderung
wird durch den Sensor 32 erfaßt, der alternativ in der Position 32 angebracht
sein kann.
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Beim
Gurtaufroller 10 wird der Signalgeber 30, der
auf der dem Sperrmechanismus abgewandten Seite der Gurtspule 14 angeordnet
ist, bei Aktivierung der pyrotechnischen Straffeinheit 18 an
die Gurtspule 14 angekoppelt. Insbesondere ist also der Signalgeber 30 nach
Aktivierung des Sperrmechanismus mit der Gurtspule 14 gekoppelt
und erzeugt bei deren Drehung ein Signal. Natürlich könnte abweichend von der beschriebenen
Ausgestaltung auch der Signalgeber 30 am Rahmen 12 angeordnet und
der Sensor 32 mit der Gurtspule 14 gekoppelt sein.
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Die 5 bis 8 zeigen
einen Gurtaufroller 10 gemäß einer zweiten Ausführungsform
der Erfindung, wobei im folgenden gleiche oder funktionsgleiche
Bauteile gleiche Bezugszeichen tragen und lediglich auf die Unterschiede
zur bisher beschriebenen Ausführungsform
eingegangen wird. Abweichend vom bisher beschriebenen Gurtaufroller 10 ist der
Signalgeber 30 bei der Ausgestaltung der 5 bis 8 an
einem koaxial mit der Gurtspule 14 verbundenen Bauteil
des Gurtaufrollers 10 angeordnet, hier an einem Federherz 36 der
Aufrollertriebfeder, das unter der Triebfederschale 15 angeordnet
ist. Natürlich
kann der Signalgeber 30 auch in das Federherz 36 integriert
sein. Die Gurtspule weist einen Achsbolzen 38 aus Metall
auf, der das Federherz 36 durchragt und je nach Materialwahl
ferromagnetisch, weichmagnetisch oder hartmagnetisch ist, das vom Signalgeber 30 erzeugte
Magnetfeld also auf unterschiedliche Weise beeinflußt. Der
Signalgeber 30 umfaßt
auch hier einen oder mehrere Permanentmagnete 40, die bezüglich der
Achse der Gurtspule 14 zentrisch oder exzentrisch angeordnet
sein können. Der
Sensor 32 kann mittig über
dem erzeugten Magnetfeld, radial hierzu verschoben oder neben dem bzw.
den Magneten 40 angebracht sein. Bei dieser Ausführungsform
läßt sich
sowohl im normalen Aufrollerbetrieb als auch während einer Kraftbegrenzungsphase
bei einem Unfall die Drehung der Gurtspule 14 erfassen.
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8 zeigt
verschiedene Möglichkeiten
der Anordnung des oder der Magneten 40 des Signalgebers 30 am
bzw. im Federherz 36. Dabei ist mit M jeweils die Achse
des Magneten 40 bezeichnet, also die Verbindungslinie vom
Nord- zum Südpol.
Die Ausgestaltung gemäß 8a weist zwei Permanentmagnete 40 auf,
deren Achse M parallel zur Drehachse D des Federherzens 36 und
damit des Signalgebers 30 ausgerichtet ist. 8b zeigt eine Variante mit zwei Permanentmagneten 40,
deren Achse M senkrecht zur Drehachse D verläuft. Gemäß 8c ist
ein zentrisch angeordneter Magnetring 40 vorgesehen, 8d zeigt einen zylindrischen Stabmagneten 40,
der liegend angeordnet ist, wobei seine Achse M senkrecht zur Drehachse
D ist. Eine ähnliche
Ausgestaltung zeigt 8e, jedoch mit
zwei liegenden Permanentmagneten 40 außerhalb des Federherzens 36,
um die Einflüsse
der Aufrollertriebfeder auf die Signalerfassung zu minimieren. 8f zeigt einen Permanentmagneten 40,
dessen Achse M einen Winkel von etwa 60° zur Drehachse D aufweist; in 8g ist ein Ringmagnet 40 mit
einem Loch in der Mitte gezeigt, der ebenfalls außerhalb
des Federherzens 36 angeordnet ist.
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In
den 9 und 10 ist ein Gurtaufroller 10 gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung dargestellt, bei dem der Signalgeber 30 ein
separates, mit der Gurtspule gekoppeltes Rad 42 aufweist,
welches axial neben der Gurtspule 14 angeordnet ist und über eine
Verzahnung 44 oder Reibverbindung mit der Gurtspule 14 selbst
bzw. einem koaxial zu dieser angeordneten Bauteil in Verbindung steht.
Bei einer Drehung der Gurtspule 14 dreht sich auch das
Rad 42, das als Magnetrad, hier als Zahnrad mit innenliegendem
Permanentmagneten 40, ausgebildet ist. Die Drehung wird
vom Sensor 32 erfaßt,
der am Rahmen 12 befestigt ist. Wieder läßt sich
sowohl im normalen Aufrollerbetrieb als auch während einer Kraftbegrenzungsphase
die Drehung der Gurtspule 14 erfassen.
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11 zeigt
eine Gurtbandabzugsmeßeinrichtung 34,
die alternativ beim Gurtaufroller 10 der 9 und 10 eingesetzt
werden kann. Bei dieser Gurtbandabzugsmeßeinrichtung 34 ist
das Rad 42 als verzahntes Eisenrad ausgebildet, das mit
einem im Abstand zum Rad 42 angeordneten Permanentmagneten 46 zusammenwirkt.
Das Eisenrad 42 ist wiederum direkt oder indirekt mit der
Gurtspule 14 verbunden. Als Sensor 32 dient ein
Hall-Sensor, der zwischen dem Magneten 46 und dem Eisenrad 42 positioniert
ist. Durch die Drehung des Eisenrads 42 wird je nach Stellung
der Verzahnung das Magnetfeld des Magneten 46 verstärkt oder
abgeschwächt,
was vom Hall-Sensor 32 gemessen wird. Positioniert man versetzt
mehrere Sensoren 32, läßt sich
die Auflösung
entsprechend vergrößern und
die Drehrichtung bestimmen.
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Bei
den Ausführungsformen
der 5 bis 11 besteht die Möglichkeit,
das vom Sensor 32 ausgegebene Signal für aktive, motorunterstützte Zusatzfunktionen
zu verwenden. Außerdem
ist durch Kombination mit einem absoluten Signal des Kindersicherungssystems
ein absolutes Meßsignal
möglich.
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Als
Sensor 32 wird bei den Ausführungsformen der 1 bis 10 vorzugsweise
ein Magnet-Drehwinkelgeber verwendet, der einen Meßbereich
von 360° aufweist
und auf dem Hall-, dem GMR- oder dem AMR-Effekt beruht. Dieser Sensor liefert
als Ausgangssignal den absoluten Winkel, die Winkelgeschwindigkeit
oder ein inkrementelles Signal mit oder ohne Richtungssignal.
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Für die Ausführungsform
der 11 eignet sich als Sensor 32 ein Magnetfeldsensor,
der die Stärke
des Magnetfelds bzw. die magnetische Flußdichte mißt. Dabei reicht es aus, wenn
der Sensor zwischen den beiden Zuständen „große Flußdichte" und „geringe Flußdichte" unterscheiden kann.
Sensoren 32, die auf diese Anwendung optimiert sind, sind
unter den Bezeichnungen „Gear
Tooth Sensor", „Cam Shaft
Sensor" oder „Zahnradsensor" bekannt.
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Bei
allen beschriebenen Ausführungsformen ist
der Sensor 32, wie in 12 dargestellt,
mit einem Steuergerät 48 gekoppelt,
das aus den vom Sensor 32 ausgegebenen Signalen den Gurtbandabzug
ermittelt. Beim Steuergerät 48 handelt
es sich zum Beispiel um das Steuergerät eines Gassackmoduls, das
das Ausgangssignal des Sensors 32 direkt einliest (12a). Das Ausgangssignal des Sensors 32 wird
je nach vorhandener Schnittstelle als PWM-Signal, Analogsignal,
serielles Signal (Serial Peripheral Interface SPI) oder 2-Draht-Signal
nach Peripheral-Acceleration-Sensor-Protokoll (PAS) übertragen.
Verfügt
der Sensor 32 über
keine Schnittstelle, die für
das einlesende Steuergerät 48 geeignet ist,
kann das Sensorsignal von einem zwischengeschalteten Mikrocontroller 50 eingelesen
und auf eine vorhandene Schnittstelle umgesetzt werden (12b). Dies sind üblicherweise Umsetzungen auf CAN-/LIN-Bus,
SPI oder 2-Draht-Schnittstelle (PAS).
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zur Bestimmung des Gurtbandabzugs im Gurtaufroller 10 sieht
vor, daß der
Sensor 32 die Drehung der Gurtspule 14 zumindest
während
einer Kraftbegrenzungsphase des Gurtaufrollers erfaßt. Je nach
Ausgestaltung der Gurtbandabzugsmeßeinrichtung 34 kann
der Sensor 32 jede Drehung der Gurtspule 14, auch
bereits vor einer Kraftbegrenzungsphase, erfassen.
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Sämtliche
beschriebenen Ausführungsformen
zeichnen sich durch wenig Bauteile, einen geringen Bauraumbedarf
sowie eine spiel- und klapperfreie Ausgestaltung aus.