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Die
Erfindung betrifft einen Gurtaufroller.
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Gurtaufroller
sind als Bestandteile von Insassenrückhaltesystemen allgemein bekannt.
In der Regel ist in die heutigen Gurtaufroller ein Kraftbegrenzer integriert,
der auch nach Aktivierung eines Sperrmechanismus noch einen gewissen
Gurtbandauszug bei Überschreitung
einer vorbestimmbaren Gurtbandkraft ermöglicht.
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Als
Kraftbegrenzer werden beispielsweise Torsionsstäbe eingesetzt oder Rotationsdämpfer, bei denen
sich ein Rotor in einem viskosen Medium dreht, wobei durch den Drehwiderstand
die Gurtbandkraft für
einen Gurtbandauszug festgelegt wird.
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Aufgabe
der Erfindung ist die Schaffung eines Gurtaufrollers mit einem preiswert
herstellbaren und gut integrierbaren Kraftbegrenzer, dessen Kraftbegrenzungsverlauf
(Gurtbandauszugskraft über Gurtbandauszug)
mit geringem Aufwand an unterschiedliche Anforderungen anpaßbar ist.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe durch einen Gurtaufroller gelöst, mit einem Rahmen, einer drehbar
im Rahmen gelagerten Gurtspule, einer Sperrscheibe, die drehbar
an der Gurtspule angebracht ist, und einer Spindel, die in einem
langgestreckten Hohlraum der Gurtspule angeordnet und so mit der
Sperrscheibe gekoppelt ist, daß sie
sich bei einer Relativdrehung zwischen Gurtspule und Sperrscheibe
in der Gurtspule dreht, wobei auf der Spindel ein Kraftbegrenzungselement
angeordnet ist, das an der Gurtspule angreift.
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Vorzugsweise
ist das Kraftbegrenzungselement eine Spindelmutter, die mit der
Spindel zusammenwirkt und sich bei einer Spindeldrehung in dem langgestreckten
Hohlraum entlang einer Spindelachse bewegt. Da das Kraftbegrenzungselement
an der Gurtspule angreift, läßt sich über die
Form des langgestreckten Hohlraums die Bewegung des Kraftbegrenzungselements
gezielt behindern, wodurch während
der Kraftbegrenzung letztlich auch die Gurtbandauszugskraft sowie
deren Verlauf über
dem Gurtbandauszug einfach und präzise einstellbar ist, insbesondere
auch über
mehrere Umdrehungen der Gurtspule. Die Ausbildung eines langgestreckten Hohlraums
in der Gurtspule sowie die Fertigung einer Spindel und eines als
Spindelmutter ausgebildeten Kraftbegrenzungselements sind ohne großen Aufwand
möglich,
so daß diese
Art der Kraftbegrenzung auch aus wirtschaftlicher Sicht eine gute
Alternative zu den bekannten Torsionsstäben oder Rotationsdämpfern darstellt.
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In
einer Ausführungsform
ist zwischen der Gurtspule und der von der Gurtspule angetriebenen Spindel
eine Übersetzung
ins Schnelle vorgesehen. Üblicherweise
führt die
Gurtspule im Rahmen einer Gurtkraftbegrenzung eine Rotation aus,
die zwischen dem Bruchteil einer Umdrehung und einigen wenigen Umdrehungen
liegt. Infolge der Übersetzung
dreht sich die Spindel schneller, so daß das Kraftbegrenzungselement
einen größeren Weg
entlang der Spindel zurücklegt
als ohne die Übersetzung.
Infolge dieser größeren Bewegung
des Kraftbegrenzungselements in axialer Richtung läßt sich
der Kraftbegrenzungsverlauf sehr viel einfacher und genauer einstellen
als bei einer kleineren Bewegung.
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Die
Sperrscheibe weist bevorzugt eine Innenverzahnung und ein axiales
Spindelende eine mit der Innenverzahnung kämmende Außenverzahnung auf. Durch diese
Konstruktion kann mit einfachen Mitteln die Übersetzung ins Schnelle zwischen
der Gurtspule und der Spindel realisiert werden.
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Nahe
der Außenwand
der Spindel kann zwischen einer Umfangswand des Hohlraums und der Spindel
ein Stützring
angeordnet sein. Die Spindel stützt
sich im Bereich ihrer Außenverzahnung über den
Stützring
an der Umfangswand des Hohlraums ab, so daß auch unter Belastung ein
kämmender
Eingriff der Innenverzahnung der Sperrscheibe und der Außenverzahnung
der Spindel gewährleistet
ist.
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Vorzugsweise
sind eine Spulenachse der Gurtspule und eine Spindelachse der Spindel
voneinander beabstandet aber zueinander parallel. Durch diese Anordnung
der Spindel relativ zur Gurtspule kann die Spindel problemlos in
der Gurtspule aufgenommen werden, ohne daß sie den Raum im Bereich der
Spulenachse beansprucht. Somit ist im Bereich der Spulenachse ein
vereinfachtes Einschlaufen und Befestigen des Gurtbandes an der
Gurtspule möglich.
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In
einer Ausführungsform
weist der langgestreckte Hohlraum eine Umfangswand auf, wobei eine
Innenfläche
der Umfangswand wenigstens abschnittsweise der Mantelfläche eines
Zylinders oder geraden Prismas entspricht. Bei der Bewegung des Kraftbegrenzungselements
im Bereich dieses Hohlraumabschnitts ergibt sich eine im wesentlichen
konstante Gurtbandauszugskraft. Außerdem können insbesondere zylindrische
Hohlräume
sehr einfach in der Gurtspule ausgebildet werden.
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In
einer weiteren Ausführungsform
weist der langgestreckte Hohlraum eine Umfangswand auf, wobei eine
Innenfläche
der Umfangswand wenigstens abschnittsweise der Mantelfläche eines
Kegel- oder Pyramidenstumpfes entspricht. Über derartige Hohlraumformen
lassen sich wenigstens abschnittsweise progressive oder degressive
Kraftverläufe
für den
Gurtbandauszug realisieren.
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Vorzugsweise
ist das Kraftbegrenzungselement als Schneidelement ausgebildet und
kann an einer Umfangswand des langgestreckten Hohlraums Gurtspulenmaterial
abtragen. Das abzutragende Gurtspulenmaterial bildet einen Widerstand
für die axiale
Bewegung des Kraftbegrenzungselements und damit für die Rotation
der Spindel um ihre Spindelachse sowie für die Drehung der Gurtspule
um ihre Spulenachse. Folglich läßt sich
die Gurtbandkraft für
einen Gurtbandauszug über
die Menge des abzutragenden Gurtspulenmaterials im langgestreckten
Hohlraum einstellen.
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Alternativ
ist das Kraftbegrenzungselement als Verformungselement ausgebildet
und kann eine Umfangswand des langgestreckten Hohlraums verformen.
Hierbei wird der Widerstand für
eine Gurtspulendrehung nicht durch Materialabtrag, sondern durch
Materialverformung bestimmt. Die Gurtbandkraft für einen Gurtbandauszug wird
dabei durch die Menge des zu verformenden Gurtspulenmaterials an
der Umfangswand des Hohlraums festgelegt.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. In diesen zeigen:
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1 eine
perspektivische Explosionsansicht eines erfindungsgemäßen Gurtaufrollers;
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2 eine
perspektivische Ansicht des erfindungsgemäßen Gurtaufrollers gemäß 1 im
zusammengebauten Zustand;
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3 eine
weitere perspektivische Ansicht des Gurtaufrollers aus 1 im
zusammengebauten Zustand;
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4 einen
Längsschnitt
durch einen erfindungsgemäßen Gurtaufroller
gemäß einer
ersten Ausführungsform;
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5 einen
Längsschnitt
durch einen erfindungsgemäßen Gurtaufroller
gemäß einer
zweiten Ausführungsform;
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6a bis 6f mögliche Kraft/Weg-Diagramme
für unterschiedlich
ausgebildete Hohlräume
in einer Gurtspule des erfindungsgemäßen Gurtaufrollers; und
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7 verschiedene
Geometrien für
ein Kraftbegrenzungselement eines erfindungsgemäßen Gurtaufrollers.
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Die 2 und 3 zeigen
perspektivische Ansichten eines Gurtaufrollers 10 mit einem
Rahmen 12, einer drehbar im Rahmen 12 gelagerten
Gurtspule 14 und einer Sperrscheibe 16, die im
vorliegenden Beispiel durch einen Haltering 18 drehbar
an der Gurtspule 14 gehalten wird, wobei an der Gurtspule 14 Fixiernoppen
vorgesehen sein können,
welche die Gurtspule 14 und die Sperrscheibe 16 zunächst drehfest
miteinander verbinden und ab einer vorbestimmbaren Belastung abscheren.
Eine in 2 dargestellte Sperrklinke 19 der
Sperrscheibe 16 kann bei Auslösung eines Sperrmechanismus
in eine Verzahnung des Rahmens 12 eingreifen und die Sperrscheibe 16 dadurch
drehfest am Rahmen 12 fixieren.
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Der
Gurtaufroller 10 umfaßt
darüber
hinaus zwei Spindeln 20 und jeweils ein auf den Spindeln 20 angeordnetes
Kraftbegrenzungselement 22, was in 2 gar nicht
und in 3 nur andeutungsweise zu sehen ist. Zur Verdeutlichung
zeigt die 1 daher eine perspektivische
Explosionsansicht des Gurtaufrollers 10, in der alle Bauteile
gut zu erkennen sind und lediglich der Rahmen 12 aus Darstellungsgründen weggelassen
wurde. Die Sperrscheibe 16 ist auf einer der Gurtspule 14 zugewandten
Seite als Hohlrad mit einer Innenverzahnung 24 ausgebildet,
und die Spindeln 20 weisen an einem der Sperrscheibe 16 zugewandten,
axialen Spindelende 26 eine entsprechende Außenverzahnung 28 auf.
In einem zusammengesetzten Zustand des Gurtaufrollers 10 (vgl. 2 bis 5)
sind die Innenverzahnung 24 und die Außenverzahnung 28 in
kämmendem
Eingriff, wobei das Zusammenwirken der Verzahnungen 24, 28 zwischen
der Gurtspule 14 und den von der Gurtspule 14 angetriebenen
Spindeln 20 zu einer Übersetzung
ins Schnelle führt.
Dies bedeutet, daß sich
die Gurtspule 14 bei am Rahmen 12 fixierter Sperrscheibe 16 langsamer
um ihre Spulenachse A dreht als die Spindeln 20 um ihre
jeweiligen Spindelachsen B, C.
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In
der 1 sind ferner zwei Stützringe 30 dargestellt,
die jeweils einer Spindel 20 zugeordnet sind. Auf die genaue
Funktion dieser Stützringe 30 wird
später
bei der Beschreibung der 5 noch eingegangen.
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Die 4 und 5 zeigen
Schnitte durch den Gurtaufroller 10, wobei gut zu erkennen
ist, daß die
Spindeln 20 jeweils in einem langgestreckten Hohlraum 32 der
Gurtspule 14 angeordnet sind. Wenn sich die Spindeln 20 aufgrund
ihrer Kopplung mit der Sperrscheibe 16 bei einer Relativdrehung zwischen
der Gurtspule 14 und der Sperrscheibe 16 um ihre
jeweiligen Spindelachsen B, C drehen, bewegen sich die als Spindelmuttern
ausgebildeten Kraftbegrenzungselemente 22 in ihrem jeweiligen
Hohlraum 32 längs
der zugeordneten Spindelachse B, C in Richtung zur Sperrscheibe 16,
wobei die Kraftbegrenzungselemente 22 an der Gurtspule 14,
genauer an einer Umfangswand 34 des Hohlraums 32 der Gurtspule 14 angreifen.
In den 4 und 5 ist eine Bewegungsrichtung
s der Kraftbegrenzungselemente 22 jeweils durch einen Pfeil
dargestellt.
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Die
Kraftbegrenzungselemente 22 sind entweder als Schneidelemente
ausgebildet, die bei ihrer Bewegung längs der jeweils zugeordneten
Spindel 20 an der Umfangswand 34 des langgestreckten Hohlraums 32 Gurtspulenmaterial
abtragen, oder als Verformungselemente, die bei ihrer Bewegung längs der
jeweils zugeordneten Spindel 20 die Umfangswand 34 des
Hohlraums 32 verformen. Da die Kraftbegrenzungselemente 22 jeweils
an der Umfangswand 34 angreifen, stellt die Umfangswand 34 in
jedem Fall einen Widerstand für
die Bewegung der Kraftbegrenzungselemente 22 in axialer
Spindelrichtung dar. Über
die Menge des abzutragenden bzw. zu verformenden Gurtspulenmaterials
an der Umfangswand 34 kann dieser Widerstand so eingestellt
werden, daß sich
die Gurtspule 14 bei am Rahmen 12 fixierter Sperrscheibe 16 ab
einer gewünschten,
vorbestimmbaren Gurtbandkraft F in Gurtbandauszugsrichtung relativ
zur Sperrscheibe 16 dreht.
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Die 4 zeigt
einen Längsschnitt
durch den Gurtaufrollers 10 gemäß einer ersten Ausführungsform,
bei der sich die langgestreckten Hohlräume 32 in der Bewegungsrichtung
s der Kraftbegrenzungselemente 22 konisch verjüngen. Dementsprechend
nimmt der Widerstand, den die Umfangswand 34 dem zugeordneten
Kraftbegrenzungselement 22 bei dessen Bewegung in axialer Spindelrichtung
entgegensetzt, kontinuierlich zu. Somit steigt auch die Gurtbandauszugskraft
F zum Abwickeln von Gurtband kontinuierlich an (vgl. 6b).
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Die 5 zeigt
einen Längsschnitt
durch den Gurtaufroller 10 gemäß einer zweiten Ausführungsform,
die sich von der ersten Ausführungsform lediglich
dadurch unterscheidet, daß sich
die langgestreckten Hohlräume 32 in
der Bewegungsrichtung s ihrer jeweiligen Kraftbegrenzungselemente 22 konisch
aufweiten. Der Widerstand, den die Umfangswand 34 ihrem
zugeordneten Kraftbegrenzungselement 22 entgegensetzt,
verringert sich folglich im Laufe der Bewegung des Kraftbegrenzungselements 22 in
seiner Bewegungsrichtung s kontinuierlich. Dementsprechend nimmt
auch die Gurtbandauszugskraft F zum Abwickeln des Gurtbands von
der Gurtspule 14 kontinuierlich ab (vgl. 6c).
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In
der zweiten Ausführungsform
gemäß 5 ist
nahe der Außenverzahnung 28 der
Spindeln 20 zwischen den Umfangswänden 34 der Hohlräume 32 und
den zugeordneten Spindeln 20 jeweils ein Stützring 30 angeordnet,
wobei diese Stützringe 30 auch
in 1 zu sehen sind. Da sich die langgestreckten Hohlräume 32 in
der Bewegungsrichtung s der Kraftbegrenzungselemente 22 aufweiten,
entsteht am außenverzahnten,
axialen Spindelende 26 jeweils ein radiales Spiel zwischen
der Spindel 20 und der Umfangswand 34 des Hohlraums 32.
Folglich könnten
sich die axialen Spindelenden 26 (beispielsweise durch
eine Verformung der Spindeln 20) unter Belastung so bewegen,
daß die
Außenverzahnung 28 der
axialen Spindelenden 26 nicht mehr in Eingriff mit der
Innenverzahnung 24 der Sperrscheibe 16 ist. Um
dies zu verhindern, sind die Stützringe 30 vorgesehen, über die
sich die Spindeln 20 an ihrem axialen Spindelende 26 gegen
die Umfangswand 34 ihres zugeordneten Hohlraums 32 abstützen können.
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Durch
das Vorsehen separater Stützringe 30 können für die verschiedenen
Gurtaufroller-Ausführungsformen
identische Spindeln 20 verwendet werden. Alternativ können die
Stützringe 30 auch
einstückig
in die axialen Spindelenden 26 integriert sein, wodurch
keine separaten Stützringe 30 mehr
notwendig sind. Allerdings müßten die
Spindeln 20 in diesem Fall für verschiedene Gurtaufroller-Ausführungsformen
angepaßt
werden, wodurch sich ein höherer
Herstellungsaufwand für
die Spindeln 20 ergibt.
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Die
Spulenachse A der Gurtspule 14 und die Spindelachsen B,
C der Spindeln 20 sind in den beschriebenen Ausführungsformen
des Gurtaufrollers 10 voneinander beabstandet aber zueinander
parallel. Dadurch können
die Spindeln 20 problemlos in der Gurtspule 14 aufgenommen
werden, ohne daß sie
den Raum im Bereich der Spulenachse A beanspruchen. Somit ist im
Bereich der Spulenachse A ein vereinfachtes Einschlaufen und Befestigen
des Gurtbandes an der Gurtspule 14 möglich.
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Die
in den 1 bis 5 gezeigten Gurtaufroller 10 mit
zwei Hohlräumen 32 in
der Gurtspule 14 und dementsprechend zwei Spindeln 20 sowie zwei
Kraftbegrenzungselementen 22 stellen lediglich Ausführungsbeispiele
dar. Die Anzahl der Hohlräume 32 in
der Gurtspule 14 mit jeweils zugeordneten Spindeln 20 und
Kraftbegrenzungselementen 22 ist beliebig wählbar und
liegt vorzugsweise bei 1 bis 4.
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Die 6a bis 6f zeigen
jeweils im oberen Bereich eine Form des langgestreckten Hohlraums 32 der
Gurtspule 14 und darunter ein entsprechendes Kraft/Weg-Diagramm,
bei dem auf der Abszisse die Länge
x des ausgezogenen Gurtbands ab einer Fixierung der Sperrscheibe 16 am
Rahmen 12 und auf der Ordinate die zugehörige Gurtbandauszugskraft
F aufgetragen ist.
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In
der 6a entspricht eine Innenfläche der Umfangswand 34 der
Mantelfläche
eines Zylinders. Die Umfangswand 34 setzt damit der Bewegung
des Kraftbegrenzungselements 22 einen im wesentlichen konstanten
Widerstand entgegen, so daß auch
die Gurtbandauszugskraft F über
der Länge
x des abgewickelten Gurtbands im wesentlichen konstant bleibt. Erst
wenn das Kraftbegrenzungselement 22 am axialen Spindelende 26 anschlägt, erhöht sich
die Gurtbandauszugskraft F sprunghaft, so daß ein weiterer Gurtbandauszug
x praktisch ausgeschlossen ist. Zu Vergleichszwecken ist diese zylindrische
Hohlraumform und das zugehörige
Kraft/Weg-Diagramm in den 6b bis 6f jeweils gestrichelt eingezeichnet.
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Die 6b zeigt einen langgestreckten Hohlraum 32,
bei dem eine Innenfläche
der Umfangswand 34 der Mantelfläche eines Kegelstumpfes entspricht,
wobei sich der Hohlraum 32 in Bewegungsrichtung s des Kraftbegrenzungselements 22 verjüngt. Diese
Ausführungsform
entspricht im wesentlichen der ersten Ausführungsform gemäß 4,
wobei die Gurtbandauszugskraft F im Laufe der Bewegung des Kraftbegrenzungselements 22 kontinuierlich
zunimmt.
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In
der 6c weitet sich der langgestreckte Hohlraum 32 in
Bewegungsrichtung s des Kraftbegrenzungselements 22 konisch
auf, so daß die
notwendige Gurtbandauszugskraft F im Laufe eines Gurtbandauszugs
x kontinuierlich absinkt (vgl. auch 5).
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Die 6d und 6e zeigen
Ausführungsvarianten,
bei denen im langgestreckten Hohlraum 32 ein Anschlag 36 vorgesehen
ist, an dem sich der Hohlraumquerschnitt sprunghaft verringert,
um den Gurtbandauszug x auf einen gewünschten Wert x1 zu
begrenzen. Das Kraftbegrenzungselement 22 kann sich nicht
mehr bis zum axialen Spindelende 26, sondern nur noch bis
zum Anschlag 36 bewegen. An diesem Anschlag 36 wird
die Bewegung des Kraftbegrenzungselements 22 gebremst und
die notwendige Gurtbandauszugskraft F steigt so stark an, daß eine weitere
Bewegung des Kraftbegrenzungselements 22 im wesentlichen
verhindert wird.
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Die
Umfangswand 34 des Hohlraums 32 gemäß 6d weist analog zu 6a eine
Innenfläche auf,
die der Mantelfläche
eines Zylinders entspricht. In der Bewegungsrichtung s gesehen befindet
sich etwa in der Mitte des Hohlraums 32 der Anschlag 36, an
dem sich der Hohlraumquerschnitt sprunghaft und vorzugsweise umlaufend
in radialer Richtung verringert. Der maximale Gurtbandauszug x1 ist dadurch ungefähr auf die Hälfte des
maximalen Gurtbandauszugs x0 gemäß 6a begrenzt.
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Die 6e zeigt einen Querschnittsverlauf des
Hohlraums 32 in axialer Spindelrichtung, der analog zur
Ausführungsform
gemäß 6b kontinuierlich abnimmt. Etwa in der
Mitte des Hohlraums 32 ist wiederum ein Anschlag 36 vorgesehen,
der die Bewegung des Kraftbegrenzungselements 22 stoppt und
den Gurtbandauszug x auf einen Wert x1 begrenzt.
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Die 6f zeigt eine Ausführungsform des Hohlraums 32,
bei der sich der Hohlraum 32 in axialer Richtung zunächst verjüngt und
etwa ab der Mitte des Hohlraums 32 wieder aufweitet.
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Die
Hohlraumquerschnitte sind vorzugsweise kreisförmig, so daß die Innenflächen der
Umfangswände 34 den
Mantelflächen
von Zylindern oder Kegelstümpfen
entsprechen. Alternativ sind jedoch auch ovale Hohlraumquerschnitte
denkbar, oder mehreckige Querschnittsformen, bei denen die Innenflächen der
Umfangswände 34 den
Mantelflächen
von geraden Prismen oder Pyramidenstümpfen entsprechen.
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Durch
die Formgebung des Hohlraums 32 lassen sich beliebige konstante
(6a), progressive (6b)
degressive (6c) und gemischte (6f) Kraftverläufe für den Gurtbandauszug x realisieren,
wobei in den Hohlräumen 32 auch
Anschläge 36 vorgesehen
sein können
(6d und 6e),
die den Gurtbandauszug x begrenzen. Die 6a bis 6f sind in diesem Zusammen hang lediglich
als vorteilhafte Beispiele von Hohlraumformen zu verstehen. Neben
der Gestaltung des Hohlraums 32 ist eine genaue Abstimmung
der Kraftbegrenzung auf vorgegebene Anforderungen durch weitere
Parameter möglich,
beispielsweise durch die Wahl einer Spindelgeometrie und Spindelsteigung,
die Schneid- oder Verformungsgeometrie des Kraftbegrenzungselements 22 oder
das Übersetzungsverhältnis zwischen
den Spindeln 20 und der Sperrscheibe 16.
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Die 7 zeigt
unterschiedliche Ausführungsformen
von Kraftbegrenzungselementen 22, die jeweils als Spindelmutter
ausgebildet sind und sich bei Drehung der zugehörigen Spindel 20 in
Richtung der entsprechenden Spindelachsen B, C bewegen. Auf der
linken Seite der 7 ist das Kraftbegrenzungselement 22 als
Verformungselement ausgebildet, welches die zylindrische Umfangswand 34 bei
einer Bewegung in der Bewegungsrichtung s von einem Hohlraumdurchmesser
d auf einen Hohlraumdurchmesser D aufweitet.
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Auf
der rechten Seite der 7 sind vier mögliche Querschnitte
eines Kraftbegrenzungselements 22 abgebildet, wobei das
Kraftbegrenzungselement 22 in diesem Fall als Schneidelement
ausgebildet ist. Die Umfangswand 34 des Hohlraums 32 kann
dabei weiterhin zylindrisch sein, so daß das viereckige, das ovale
und das sechseckige Schneidelement über ihren Umfang gesehen lediglich
abschnittsweise in die Umfangswand 34 einschneiden, oder
der Hohlraumquerschnitt ist dem Querschnitt des Kraftbegrenzungselements 22 angepaßt, so daß das Kraftbegrenzungselement 22 über seinen
kompletten Umfang Gurtspulenmaterial an der Umfangswand 34 abträgt.