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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen pyrotechnischen Aktuator mit
zwei relativbeweglichen Teilen, die durch eine erste fernzündbare Sprengladung
von einer ersten Relativlage in eine zweite Relativlage versetzbar
sind.
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Pyrotechnische
Aktuatoren dieser Art sind beispielsweise aus der
US 4 091 621 oder der
DE 199 22 674 bekannt und werden überall dort
verwendet, wo ein schneller Verfahrweg unter hoher Last realisiert
werden soll. Beispielsweise werden pyrotechnische Aktuatoren bei
Kraftfahrzeugen eingesetzt, um die Vorderräder knapp vor einem drohenden
Aufprall schneepflugartig einzuklappen und damit ein Eindringen
der Vorderräder
in den Fahrgastraum zu verhindern, sollte es zum Aufprall kommen. Die
Auslösung
des pyrotechnischen Aktuators kann dabei gleichzeitig mit der Auslösung der
Airbags erfolgen. Anwendungen dieser Art sind beispielsweise in
der
DE 101 13 098 oder
der
DE 100 32 711 beschrieben,
wobei die beiden relativbeweglichen Teile des Aktuators einerseits
mit der Fahrzeugkarosserie und anderseits den Achsschenkeln der
Vorderräder verbunden
werden.
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Die
bekannten pyrotechnischen Aktuatoren haben den Nachteil, daß nach ihrer
Zündung
die relativbeweglichen Teile irreversibel versetzt sind. Dies hat
beispielsweise bei der genannten Kraftfahrzeugsanwendung zur Folge,
daß die
Vorderräder
unlenkbar werden. Bei einem seitlich versetzten Aufprall könnte jedoch
eine weitere zumindest teilweise Lenkbarkeit des Fahrzeuges lebenswichtig
sein.
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Die
Erfindung setzt sich zum Ziel, einen verbesserten pyrotechnischen
Aktuator zu schaffen, welcher die oben genannten Nachteile überwindet. Dieses
Ziel wird mit einem pyrotechnischen Aktuator der eingangs genannten
Art nach Anspruch 1 erreicht, der sich gemäß der Erfindung auszeichnet durch
eine zweite fernzündbare
Sprengladung, mittels welcher die beiden Teile von ihrer zweiten
Relativlage in annähernd
die erste Relativlage rücksetzbar
sind, wobei, bei Erreichen der zweiten Relativlage, ein Sensor die
Zündung
der zweiten Sprengladung einleitet.
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Die
Erfindung schafft erstmals eine neue Art von pyrotechnischem Aktuator,
und zwar einen Aktuator, der sich nach der Zündung und Auslösung selbsttätig wieder
rückstellt.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß in der genannten Kraftfahrzeugsanwendung
ein temporäres
Einnehmen der zweiten Relativlage, in welcher beispielsweise die
Vorderräder
angeklappt sind, für
die Sicherung des Fahrgastraumes zum Zeitpunkt des Aufpralls ausreicht;
durch die selbsttätige
Rückstellung
des Aktuators ist das Fahrzeug anschließend zumindest so weit lenkbar, daß noch weitere
Ausweich- oder Lenkmanöver durchgeführt werden
können.
Die erfindungsgemäße Schaffung
eines reversiblen Aktuators ermöglicht darüber hinaus
auch gänzlich
neue Einsatzgebiete, beispielsweise für ein kurzfristiges Auslenken
von Karosserieteilen für
den Fußgängerschutz
oder im Falle eines Überschlages.
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Eine
besonders vorteilhafte Ausführungsform
der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß in dem Steuerweg zwischen
Sensor und zweiter Sprengladung ein Zeitverzögerungsglied liegt. Dadurch
kann die Dauer des Einnehmens der zweiten Relativlage unabhängig von
den Abmessungen, Bewegungswegen und dem dynamischen Verhalten des
Aktuators entsprechend den Anforderungen gewählt werden.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn die Steuerung auf elektrischem Wege erfolgt,
d.h. daß die zweite
Sprengladung elektrisch fernzündbar,
der Sensor ein elektrischer Sensor und das Zeitverzögerungsglied
eine elektrische Steuerschaltung ist, was eine besonders genaue
zeitliche Abstimmung ermöglicht.
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Eine
fertigungstechnisch besonders einfache und robuste Ausführung des
Aktuators der Erfindung umfaßt
zwei in Serie zwischen den Teilen wirkende Zylinder-Kolbenanordnungen,
die jeweils von der ersten bzw. zweiten Sprengladung angetrieben sind,
wobei in der ersten Relativlage die eine Zylinder-Kolbenanordnung ein-
und die andere ausgefahren ist, hingegen in der zweiten Relativlage
beide Zylinder-Kolbenanordnungen ausgefahren sind.
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Besonders
günstig
ist es dabei, wenn der Kolben bzw. die Kolbenstange der ersten Zylinder-Kolbenanordnung
den Zylinder der zweiten Zylinder-Kolbenanordnung bildet, was einen überaus kompakten
Aufbau ermöglicht.
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Bevorzugt
wird vorgesehen, daß der
Kolben der ersten Zylinder-Kolbenanordnung durch zumindest einen
Abscherbolzen gegen eine Bewegung vor Zündung der ersten Sprengladung
gesichert ist, um eine hohe Stabilität im nicht-ausgelösten Zustand
zu erreichen.
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Zu
demselben Zweck ist es besonders günstig, wenn der Kolben der
zweiten Zylinder-Kolbenanordnung durch zumindest einen Haltebolzen
gegen eine Bewegung vor Zündung
der zweiten Sprengladung gesichert ist, wobei der Haltebolzen durch
die Druckwelle der zweiten Sprengladung aus dem Bewegungsweg des
Kolbens entfernbar ist.
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Bevorzugt
wird dazu vorgesehen, daß der Haltebolzen
in der Zylinderwand querverschieblich gelagert ist und in der Haltestellung
in eine seitliche Ausnehmung des Kolbens eingreift, in die ein zur Druckseite
des Kolbens führender
Druckkanal mündet.
Dies ermöglicht
eine sichere und störungsunanfällige Freigabe
der Haltebolzen bei Zündung
der zweiten Sprengladung.
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In
jedem Fall ist besonders günstig,
wenn gemäß einem
weiteren Merkmal der Erfindung der Zylinder der ersten und/oder
zweiten Zylinder-Kolbenanordnung eine stauchbare Hülse zur
Abbremsung der Bewegung des Kolbens aufweist. Dies bremst den Aufschlag
der Kolben nach der Zündung
der Sprengladungen und bewirkt ein sanfteres Eingreifen des vom
Aktuator angetriebenen Mechanismus.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausführungsform der
Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß der Zylinder der ersten und/oder
zweiten Zylinder-Kolbenanordnung in an sich bekannter Weise einen
elastischen Sprengring zur Verrastung des Kolbens am Ende seines
Bewegungsweges aufweist. Derartige Sprengringe sind beispielsweise
aus der
US 4 001 621 an
sich bekannt und ermöglichen
eine einfache und wirkungsvolle Sicherung der Kolben in ihrer Endstellung.
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Nach
einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung ist eine Verwendung eines pyrotechnischen Aktuators
nach einem der Ansprüche
1 bis 10 in einem Fahrzeug zum schneepflugartigen Einklappen der
Vorderräder
vor oder bei einem Aufprall und anschließendem Rückstellen der Vorderräder vorgesehen.
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Nach
einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung ist eine Verwendung eines pyrotechnischen Aktuators
nach einem der Ansprüche
1 bis 10 in einem Fahrzeug zum Auslenken von Karosserieteilen für den Fußgängerschutz
oder im Falle eines Überschlags
und anschließendem
Rückstellen
der Karosserieteile vorgesehen.
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Nach
einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung ist ein Fahrzeug mit einer Fahrzeugkarosserie und
lenkbaren Vorderrädern,
gekennzeichnet durch zumindest einen Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis
10, dessen zwei relativbewegliche Teile einerseits mit der Fahrzeugkarosserie
und anderseits mit den Vorderrädern
oder deren Achsschenkeln verbunden sind, vorgesehen.
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Nach
einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung ist ein Fahrzeug mit einer Fahrzeugkarosserie und
einer Stoßstange,
gekennzeichnet durch zumindest einen Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis
10, dessen zwei relativbewegliche Teile einerseits mit der Fahrzeugkarosserie
und anderseits mit der Stoßstange
verbunden sind, vorgesehen.
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Nach
einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung ist ein Fahrzeug mit einer Fahrzeugkarosserie und
einem Überrollbügel, gekennzeichnet durch
zumindest einen Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dessen zwei relativbewegliche
Teile einerseits mit der Fahrzeugkarosserie und anderseits mit dem Überrollbügel verbunden
sind, vorgesehen.
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Die
Erfindung wird nachstehend anhand eines in den beigeschlossenen
Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieles
näher erläutert. In den
Zeichnungen zeigen:
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die 1 bis 5 den
pyrotechnischen Aktuator der Erfindung in fünf aufeinanderfolgenden Betriebsstellungen
jeweils im Schnitt; und
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die 6 bis 8 Perspektivansichten
des Aktuators in den Betriebsstellungen der 1, 3 und 5,
wobei in 7 die Steuerschaltung des Aktuators
blockschaltbildlich dargestellt ist.
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Der
in den 1 bis 8 gezeigte pyrotechnische Aktuator
weist zwei relativbewegliche Teile 1, 2 auf, an
welchen die Wirkkraft des Aktuators abgegriffen werden kann bzw.
die direkt als Stellglieder eines daran angeschlossenen Mechanismus (nicht
gezeigt) wirken können.
Beispielsweise wird der Teil 2 fest mit der Karosserie
eines Fahrzeuges verbunden und der Teil 1 wirkt auf die
Achsschenkel oder die Vorderräder
des Fahrzeuges. Der gesamte Aktuator könnte auch anstelle einer herkömmlichen Spurstange
in einem Fahrzeug eingesetzt werden. Andere Anwendungsfälle sind
der Einsatz des Aktuators zwischen Fahrzeugkarosserie und Stoßstange des
Fahrzeuges, zwischen Fahrzeugkarosserie und Überrollbügel des Fahrzeuges, oder allgemein
zur Betätigung
von Sicherheitstüren,
Schotten, usw.
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Die
relativbeweglichen Teile 1, 2 sind Bestandteil
einer zwischen ihnen wirkenden Serienschaltung von zwei Zylinder-Kolbenanordnungen,
die nun im einzelnen beschrieben werden.
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Die
erste Zylinder-Kolbenanordnung setzt sich aus dem in Form eines
Zylinders ausgebildeten Teil 2 selbst und einem darin gleitenden
Kolben 3 zusammen. Die Kolbenstange 4 des Kolbens 3 ist
ihrerseits als Zylinder der zweiten Zylinder-Kolbenanordnung ausgebildet und beherbergt
einen Kolben 5, dessen Kolbenstange wiederum durch den
Teil 1 gebildet ist. Die erste Zylinder-Kolbenanordnung 2, 3, 4 liegt
damit mechanisch in Serie geschaltet mit der zweiten Zylinder-Kolbenanordnung 4, 5, 1 und
wirkungsmäßig zwischen
den Teilen 1 und 2.
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In
den Hubraum 6 der ersten Zylinder-Kolbenanordnung 2, 3, 4 mündet eine
erste fernzündbare
Sprengladung 7, beispielsweise eine patronenartige Sprengkapsel.
In gleicher Weise mündet
in den Hubraum 8 der zweiten Zylinder-Kolbenanordnung 4, 5, 1 eine
zweite fernzündbare
Sprengladung 9, z.B. ebenfalls in Form einer patronenartigen
Sprengkapsel. Durch Zünden
der ersten Sprengladung 6 wird die erste Zylinder-Kolbenanordnung 2, 3, 4 von
ihrer eingefahrenen Stellung (1, 6)
in ihre ausgefahrene Stellung (3 bis 5, 7 und 8) versetzt.
Durch Zünden
der zweiten Sprengladung 9 wird die zweite Zylinder-Kolbenanordnung 4, 5, 1 von ihrer
ausgefahrenen Stellung ( 1 bis 3, 6 und 7)
in ihre eingefahrene Stellung (5, 8)
versetzt.
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Der
Kolben 3 der ersten Zylinder-Kolbenanordnung 2, 3, 4 ist
in seiner eingefahrenen Stellung, d.h. vor der Zündung der Sprengladung 7,
durch drei umfangsmäßig verteilte
Abscherbolzen 10 gegen eine unbeabsichtigte Bewegung gesichert.
Die Abscherbolzen 10 durchsetzen entsprechende Bohrungen
in der vom Teil 2 gebildeten Zylinderwandung und greifen
in entsprechende Ausnehmungen des Kolbens 3 ein. Bei der
durch die Explosion der Sprengladung 7 bewirkten Bewegung
des Kolbens 3 (in den Fig. nach links) werden die Abscherbolzen 10 durch
die Kraft der Druckwelle der Sprengung abgeschert.
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In ähnlicher
Weise ist der Kolben 5 der zweiten Zylinder-Kolbenanordnung 4, 5, 1 in
seiner ausgefahrenen Stellung, d.h. vor Zündung der Sprengladung 9,
durch umfangsmäßig verteilte
Haltebolzen 11 gegen eine unbeabsichtigte Bewegung gesichert. Die
Haltebolzen 10 sind so dimensioniert, daß sie eine
wesentlich größere Belastung
aushalten als die Abscherbolzen 10, damit sie bei Zündung der
ersten Sprengladung 7 nicht zerstört werden.
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Die
Haltebolzen 11 sind jeweils in der Wandung des von der
Kolbenstange 4 gebildeten Zylinders querverschieblich gelagert
und greifen in ihrer Haltestellung in entsprechende seitliche Ausnehmungen
des Kolbens 5 ein. Um die Haltebolzen 11 freizustellen,
dienen Druckkanäle 12 (6 bis 8),
welche von der Druckseite des Kolbens 5, d.h. vom Hubraum 8 her,
den Kolben 5 durchsetzend zu den seitlichen Kolbenausnehmungen
für die
Haltebolzen 11 führen.
Dadurch drückt
die Druckwelle der Sprengung im Hubraum 8 über die
Druckkanäle 12 zunächst die
Haltebolzen 11 nach außen
(4, 5, 8), wodurch
diese den Kolben 5 für
seine Bewegung (in den Fig. nach rechts) freigeben.
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Die
Zylinderräume,
welche auf den den Sprengladungen 7, 9 abgewandten
Kolbenseiten liegen, werden bei der Bewegung der Kolben 3 und 5 jeweils über entsprechende
Entlüftungsbohrungen 13, 14 entlüftet, um
eine ungehinderte Bewegung der Kolben 3, 5 nach
der Zündung
zu ermöglichen.
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Jede
Zylinder-Kolbenanordnung 2, 3, 4 und 4, 5, 1 enthält ferner
eine stauchbare Hülse 15, 16, welche
die Bewegung des Kolben 3 bzw. 5 am Ende seines
Bewegungsweges bremst, indem sie beim Aufschlagen des Kolbens gestaucht
wird.
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Ferner
ist jede Zylinder-Kolbenanordnung 2, 3, 4 bzw. 4, 5, 1 jeweils
mit einem in einer Innenumfangsnut der Zylinderwand gelagerten elastischen Sprengring 17, 18 ausgestattet,
welcher den Kolben 3 bzw. 5 am Ende seines Bewegungsweges
verrastet, indem er sich nach dem Passieren des Kolbens 3 bzw. 5 ausdehnt
und den Rand der Kolbenrückseite hintergreift.
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7 zeigt
die elektrische Steuerschaltung des Aktuators im Detail. Die erste
Zylinder-Kolbenanordnung 2, 3, 4 ist
mit einem elektrischen Sensor 19 versehen, der das Erreichen
der ausgefahrenen Stellung der ersten Zylinder-Kolbenanordnung 2, 3, 4 detektiert.
In der dargestellten Ausführungsform
ist zu diesem Zweck die stauchbare Hülse 15 mit einem Dehnungsmeßstreifen
versehen, der die Verformung der Hülse 15 beim Aufschlag
des Kolbens 3 mißt.
Alternativ könnte
der Sensor 19 auf jede andere in der Technik bekannte Art
realisiert werden, beispielsweise in Form eines Schalters, eines
optischen Sensors, eines induktiven oder kapazitiven Gebers, usw.
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Der
Ausgang des Sensors 19 steuert über ein einstellbares Zeitverzögerungsglied 20 die
Zündung
der zweiten Sprengladung 9. Die Verzögerungszeit des Zeitverzögerungsgliedes 20 kann
je nach Anwendungsfall zwischen einigen Millisekunden und einigen
Sekunden gewählt
werden; im einfachsten Fall, wenn die Anwendung dies zuläßt, kann das
Zeitverzögerungsglied 20 auch
entfallen.
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Darüber hinaus
ist es auch möglich,
anstelle der gezeigten elektrischen Steuerschaltung 19, 20 einen
mechanischen oder pyrotechnischen Steuerweg vom Sensor 19 zur
Sprengladung 9 vorzusehen, beispielsweise in Form eines
mechanischen Schlagstiftes, der beim Aufschlag des Kolbens 3 auf
eine Zündkapsel
der Sprengladung 9 einschlägt, oder in Form einer pyrotechnischen
Lunte (Zündschnur),
die beim Aufschlag des Kolbens 3 gezündet wird, durch ihre Brenndauer
ein Zeitverzögerungsglied
darstellt und beim Abbrennen die Sprengladung 9 zündet.
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Die
Funktionsweise des pyrotechnischen Aktuators ist wie folgt.
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In
der Ruhe- bzw. Ausgangsstellung befinden sich die beiden relativbeweglichen
Teile 1, 2 in ihrer ersten Relativlage (1, 6),
in welcher die erste Zylinder-Kolbenanordnung 2, 3, 4 eingefahren und
die zweite Zylinder-Kolbenanordnung 4, 5, 1 ausgefahren
ist.
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Bei
Zündung
der ersten Sprengladung 7 über einen Steuerweg 21 (6),
beispielsweise auf elektrischem, mechanischem oder pyrotechnischem
Wege, überwindet
die Druckentfaltung im Hubraum 6 die Haltekraft der Abscherbolzen 10 und
der Kolben 3 mitsamt der gesamten zweiten Zylinder-Kolbenanordnung 4, 5, 1 bewegt
sich nach links (2). Der der Druckseite des Kol bens 3 abgewandte
Raum des Zylinders 2 wird dabei über die Entlüftungsbohrung 13 entlüftet.
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Am
Ende seines Bewegungsweges nach links schlägt der Kolben 3 auf
die Hülse 15 auf,
verformt diese und wird abgebremst; nach dem vollständigen Passieren
des elastischen Sprengringes 17 dehnt sich dieser aus und
verrastet den Kolben 3 in seiner Endstellung (3, 7).
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Die
beiden Teile 1, 2 befinden sich nun in ihrer zweiten
Relativlage (3, 7), in welcher beide
Zylinder-Kolbenanordnungen 2, 3, 4 und 4, 5, 1 vollständig ausgefahren
sind.
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Das
Erreichen der zweiten Relativlage wird vom Sensor 19 detektiert
und steuert nun – gegebenenfalls
nach einer entsprechenden Verzögerungszeit
durch das Zeitverzögerungsglied 20 – die Zündung der
Sprengladung 9 der zweiten Zylinder-Kolbenanordnung 4, 5, 1.
Die Druckwelle im Hubraum 8 drückt über die Druckkanäle 12 die
Haltebolzen 11 nach außen.
In weiterer Folge bewegt sich der Kolben 5 der zweiten
Zylinder-Kolbenanordnung 4, 5, 1 nach
rechts (4). Der der Druckseite des Kolben abgewandte
Innenraum des Zylinders 4 wird dabei über die Entlüftungsbohrung 14 entlüftet.
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Am
Ende seiner Bewegung schlägt
der Kolben 5 auf die stauchbare Hülse 16 auf und wird
beim Stauchen derselben abgebremst. Nach dem vollständigen Passieren
des elastischen Sprengringes 18 verrastet der Kolben 5 hinter
dem sich ausdehnenden Sprengring 18 (5, 8).
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Die
Teile 1, 2 befinden sich nun im wesentlichen wieder
in ihrer ersten Relativlage, wobei nun allerdings die erste Zylinder-Kolbenanordnung 2, 3, 4 ausgefahren
und die zweite Zylinder-Kolbenanordnung 4, 5, 1 eingefahren
ist (5, 8).
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Die
Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsformen beschränkt, sondern
umfaßt
alle Varianten und Modifikationen, die in den Rahmen der angeschlossenen
Ansprüche
fallen. Beispielsweise könnten
anstelle der gezeigten linearen Zylinder-Kolbenanordnungen auch
rotierende Zylinder-Kolbenanordnungen vorgesehen werden, oder andere
Anordnungskonstruk tionen für
die Sprengladungen, um die relativbeweglichen Teile 1, 2 von
ihrer ersten Relativlage in ihre zweite Relativlage und anschließend gesteuert
wieder zurückzubewegen.