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Die
Erfindung betrifft einen Kraftbegrenzer für einen Gurtaufroller, mit
einem Torsionsstab, der zum Zwecke der Kraftbegrenzung tordiert
werden kann.
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Derzeit übliche Gurtaufroller
für Fahrzeug-Sicherheitsgurte
umfassen einen Rahmen, eine Gurtspule, die in dem Rahmen drehbar
gelagert ist, einen Torsionsstab, der im Inneren der Gurtspule angeordnet
und an einem axialen Ende drehfest mit der Gurtspule verbunden ist,
eine Sperrscheibe, die am anderen axialen Ende des Torsionsstabs
verbunden ist und eine Sperrverzahnung aufweist, sowie eine Sperrklinke,
welche in die Sperrverzahnung der Sperrscheibe eingreifen kann.
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Die
Sperrklinke ist gurtbandsensitiv oder fahrzeugsensitiv von einem
bekannten Sperrmechanismus in die Sperrverzahnung einsteuerbar,
so daß die
Sperrscheibe gegen eine Drehung relativ zum Rahmen des Gurtaufrollers
blockiert. Da sich die Gurtspule über den Torsionsstab an der
Sperrscheibe abstützt,
kann in diesem Zustand kein Gurtband von der Gurtspule abgezogen
werden, solange das von dem Torsionsstab zwischen der Gurtspule
und der Sperrscheibe übertragene
Drehmoment nicht größer ist
als das Torsionswiderstandsmoment des Torsionsstabes. Wird das Torsionswiderstandsmoment überschritten
und der Torsionsstab entsprechend tordiert, kommt es zu einer Relativdrehung zwischen
Gurtspule und Sperrscheibe. Dadurch wird Gurtband von der Gurtspule
abgezogen, was zu einer größeren Vorverlagerung
eines vom Sicherheitsgurt zurückgehaltenen
Fahrzeuginsassen führt.
Diese Gurtband-Kraftbegrenzung
mittels des Torsionsstabes dient in bekannter Weise dazu, Kraftspitzen im
Sicherheitsgurt abzubauen, die den Fahrzeuginsassen ansonsten hoch
belasten würden.
Gleichzeitig ist das Abziehen von Gurtband und somit die Vorverlagerung
des Insassen so zu begrenzen, daß eine Berührung des Insassen mit einem
festen Fahrzeugteil (z.B. einem Lenkrad oder einer Armaturentafel) ausgeschlossen
ist.
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Um
mit diesen Randbedingungen eine möglichst vorteilhafte Gurtbandkraft/Gurtbandauszugsweg-Kennlinie
zu erhalten, sind aus dem Stand der Technik Kraftbegrenzer bekannt,
die parallel geschaltete oder in Reihe geschaltete Torsionsstäbe umfassen.
Die vorteilhaftere Kennlinie wird dabei durch einen höheren Aufwand
bei der Herstellung des Kraftbegrenzers erreicht.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, die Kraftbegrenzung bei Gurtaufrollern mit
minimalem Aufwand zu verbessern.
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Erfindungsgemäß ist zur
Lösung
der Aufgabe ein Torsionsstab vorgesehen, der aus einem austenitischen
Stahl, beispielsweise einem kaltumformbaren, austenitischen Edelstahl,
oder einem Dualphasenstahl besteht. Infolge der Materialverformung spielen
die Materialkennwerte bei einer Kraftbegrenzung mittels eines Torsionsstabes
eine wesentliche Rolle. Durch eine geeignete Wahl des Torsionsstabmaterials
kann bei gleichem Torsionsstab-Design die Rückhalteperformance angepaßt bzw.
verbessert werden. Der Herstellungsaufwand bleibt dabei, abgesehen
von den Materialkosten, unverändert.
Eine aufwendige Veränderung
der Kraftbegrenzerkonstruktion, beispielsweise durch Parallelschalten
oder In-Reihe-Schalten von Torsionsstäben ist nicht notwendig.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
besteht der Torsionsstab aus X3 CrNiCu 18-9-4 (1.4567). Durch die
Verwendung dieses Edelstahls kann der Torsionsstabdurchmesser bei
verbessertem Gurtbandkraft/Gurtbandauszugsweg-Verlauf im Vergleich zu herkömmlichem
Torsionsstabmaterial verringert werden.
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Eine ähnlich gute
Rückhalteperformance
des Kraftbegrenzers wird auch in Ausführungsformen erreicht, bei
denen der Torsionsstab aus einem TWIP-Stahl (Twinning Induced Plasticity),
z.B. X5 MnAlSi 25-3-3, einem Duplexstahl, z.B. X2 CrNiMoN 22-5-3,
einem TRIP-Stahl (Transformation Induced Plasticity), z.B. X1 MnAlSi
15-2-2,5 oder einem Dualphasenstahl, z.B. 10 MnSi 7 besteht.
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In
einer weiteren Ausführungsform
ist der Stahl des Torsionsstabs thermisch behandelt, wobei der Stahl
des Torsionsstabs bei der thermischen Behandlung vorzugsweise wenigstens
eine Temperatur von 500°C
aufweist. Die thermische Behandlung dauert vorzugsweise mehr als
30 Minuten, besonders bevorzugt mehr als 60 Minuten. Insbesondere bei
einer starken Verwindung des Torsionsstabs um mehrere Umdrehungen
wirkt sich diese thermischen Behandlung (Glühbehandlung) vorteilhaft auf
das Materialverhalten und damit die Rückhalteperformance des Kraftbegrenzers
aus.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. In diesen zeigen:
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1 eine
teilgeschnittene Ansicht eines Gurtaufrollers mit einem erfindungsgemäßen Kraftbegrenzer;
und
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2 ein
Diagramm mit Gurtbandkraft/Gurtbandauszugsweg-Kennlinien.
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In 1 ist
ein Gurtaufroller 8 gezeigt, der einen Rahmen 10 aufweist,
in welchem eine Gurtspule 12 drehbar gelagert ist. Die
Gurtspule 12 weist zwei Flansche 14, 16 auf,
zwischen denen ein Sicherheitsgurt (nicht gezeigt) aufgewickelt
werden kann. Im Inneren der Gurtspule 12 ist ein Kraftbegrenzer 18 angeordnet,
der bezüglich 1,
an seinem linken axialen Ende drehfest mit der Gurtspule 12 und
an seinem rechten axialen Ende mit einer Sperrscheibe 20 verbunden
ist (beispielsweise durch eine Keilwellenverzahnung). Die Verbindung
zwischen dem Kraftbegrenzer 18 und der Gurtspule 12 sowie
der Sperrscheibe 20 ist vorzugsweise mit einer Preßpassung ausgeführt, um
einen geräuscharmen
Betrieb zu gewährleisten.
Die Sperrscheibe 20 ist an ihrem Außenumfang mit einer Sperrverzahnung 22 versehen,
in die eine Sperrklinke 24 von einem (nicht dargestellten)
Sperrmechanismus eingesteuert werden kann.
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Der
Kraftbegrenzer 18 ist in diesem Fall ein Torsionsstab 19,
welcher aus einem kaltumformbaren, austenitischen Edelstahl besteht.
Insbesondere wird zur Herstellung des Torsionsstabs 19 der
Edelstahl X3 CrNiCu 18-9-4 mit der Werkstoff-Nummer 1.4567 verwendet.
Alternativ können
auch die Austenite X5 MnAlSi 25-3-3, X2 CrNiMoN 22-5-3, X1 MnAlSi
15-2-2,5 oder der Dualphasenstahl 10 MnSi 7 verwendet werden.
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Die 2 zeigt
ein Kraft/Weg-Diagramm, bei dem eine Gurtbandauszugskraft F über einem
Gurtbandauszugsweg x aufgetragen ist. Die dick eingezeichnete Kennlinie 26 ist
dabei einem erfindungsgemäßen Kraftbegrenzer 18 aus
X3 CrNiCu 18-9-4 (1.4567) und die dünn eingezeichnete Kennlinie 28 einem
herkömmlichen
Kraftbegrenzer 18 gemäß dem Stand
der Technik aus C4C nach DIN EN 10263-2 (ähnlich QSt 32-3) zugeordnet.
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Es
ist deutlich zu sehen, daß eine
Kraftbegrenzungswirkung des herkömmlichen
Kraftbegrenzers 18, d.h. eine Torsinn des Torsionsstabs 19 bei
einer Gurtbandkraft F von etwa 4,7 kN und einem Gurtbandauszugsweg
x von knapp 50 mm einsetzt und dann im wesentlichen linear ansteigt.
Die Kraftbegrenzungswirkung des erfindungsgemäßen Kraftbegrenzers 18 setzt
bereits bei etwa 2,7 kN ein und folgt dann einer im wesentlichen
gekrümmten,
progressiveren Kurve, deren Steigung mit zunehmendem Gurtbandauszugsweg
x abnimmt. Die Vorteile dieses Verlaufs des erfindungsgemäßen Kraftbegrenzers 18 liegen
in einer früher
und weniger ruckhaft einsetzenden Kraftbegrenzung und dem Erreichen
höherer Gurtbandkräfte F für hohe Gurtbandauszugswege
x.
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Anschaulich
bedeutet dies eine „insassenschonendere
Rückhaltung" bei „leichten
Unfällen" mit niedrigen Gurtkräften F und
einem Gurtbandauszug x bis etwa 15 mm und eine verbesserte Insassenrückhaltung
bei „schweren
Unfällen" mit hohen Gurtkräften F und
einem Gurtbandauszug x im Bereich ab etwa 20 mm. Bei dem erfindungsgemäßen Kraftbegrenzer 18 ist
eine höhere
Gurtkraft F notwendig, um denselben Gurtbandauszug x zu erreichen
(vgl. Doppelpfeil in 2).
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Für die Kennlinie 26 des
erfindungsgemäßen Kraftbegrenzers 18 wurde
ein Torsionsstab 19 mit einem Durchmesser von 10,7 mm,
für die
Kennlinie 28 eines herkömmlichen
Kraftbegrenzers 18 ein Torsionsstab 19 mit einem
Durchmesser von 12,0 mm verwendet. Somit kann neben einer Performanceverbesserung
zusätzlich
Material eingespart werden, wodurch sich auch das Gewicht des Kraftbegrenzers 18 reduziert.
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Das
Niveau der Kennlinie kann dabei über den
Durchmesser des Torsionsstabes 19 beeinflußt werden;
die Form bzw. der Verlauf der Kennlinie 26 (Performance) über die
Wahl des Werkstoffes.
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Über eine
thermische Behandlung des Torsionsstabs 19, insbesondere
eine Glühbehandlung
bei Temperaturen von mindestens 500°C über wenigstens 30 Minuten,
vorzugsweise wenigstens 60 Minuten können die Werkstoffeigenschaften
vorteilhaft beeinflußt
werden. Dies hat insbesondere im Bereich eines großen Gurtbandauszugs
x, also bei starker Tordierung des Torsionsstabs 19, positive
Auswirkungen auf die Form bzw. den Verlauf der Kennlinie 26.
Die thermische Behandlung findet bevorzugt nach einem Formgebungsprozeß statt,
in dem aus einem bereitgestellten Stahlrohling der Torsionsstab 19 geformt wird.