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Die
Erfindung betrifft eine Sicherheitsgurteinrichtung mit einer Kraftbegrenzungseinheit.
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Eine
derartige Sicherheitsgurteinrichtung ist zum Beispiel aus der
DE 10 2006 027 897
A1 bekannt. Die Kraftbegrenzungseinheit ist hier durch eine
selbsthemmende Reibungsvorrichtung gebildet, welche eine Freigabeeinrichtung
zur Ermöglichung eines
begrenzten Gurtauszuges aufweist. Die Reibungsvorrichtung ist gebildet
durch ein Seil, welches zur Erzeugung der Selbsthemmung mit Seilwicklungen
um ein feststehendes Reibungselement reibschlüssig gewickelt ist. Die Freigabeeinrichtung
wirkt direkt auf das Ende des auf dem Reibungselement aufgewickelten
Seiles, wodurch die Möglichkeit
besteht, dass sich die Reibungsverhältnisse durch Änderung
des Umschlingungswinkels z. B. ändern
und somit das Kraftbegrenzungsniveau ebenfalls geändert wird.
Ferner ist die Länge
des Vorverlagerungsweges begrenzt auf die aufgewickelte Seillänge.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine gattungsgemäße Sicherheitsgurteinrichtung
derart weiterzuentwickeln, dass ein größerer Vorverlagerungsweg möglich ist,
und dass das sich einstellende Kraftbegrenzungsniveau durch die
Reibungsvorrichtung möglichst
unabhängig
von unerwünschten äußeren Einflüssen und
lediglich abhängig
von der Fahrzeugverzögerung
bzw. der Auslegung des Systems sein soll.
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Die
Lösung
der Aufgabe erfolgt durch eine Sicherheitsgurteinrichtung mit den
Merkmalen des Anspruchs 1. Durch den vorgeschlagenen Vorratsspeicher
wird ein zusätzliches
Teil geschaffen, welches die Bevorratung eines längeren Zugelementes ermöglicht.
Damit wird nur der Auslass des Zugelementes aus dem Vorratsspeicher
gesteuert, so dass in die Reibungsvorrichtung selbst konstruktiv
nicht eingegriffen wird. Damit kann der Vorverlagerungsweg beliebig
erhöht
werden, ohne dass sich die Verhältnisse
an der Reibungsvorrichtung ändern.
Die Reibungsvorrichtung kann nun in dem Steuerungsvorgang als feste
Einrichtung begriffen werden, wobei die Kraft in dem Zugelement
an der Ausgangsseite zu der Sicherheitsgurteinrichtung hin ausschließlich von
der Kraft in dem Zugelement an der Eingangsseite zu dem Vorratsspeicher
hin abhängig
ist.
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Eine
bevorzugte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, dass die Reibungsvorrichtung
aus einem feststehenden Bolzen gebildet ist und das Zugelement den
Bolzen mit einem konstanten Umschlingungswinkel umschlingt. Der
feststehende Bolzen stellt eine konstruktiv einfache Ausbildung
der Reibungsvorrichtung dar, wobei der Umschlingungswinkel für die Entstehung
der Reibkräfte
ein wesentlicher Faktor ist. Nach dem Umschlingungsgesetz ergibt sich
die Kraft ”FGurtwelle” auf der Zugseite von der
Gurtwelle in Abhängigkeit
von der Haltekraft „FVorratsspeicher” des Zugelementes von Seiten
des Vorratsspeichers, dem Reibungskoeffizienten „mü” und dem Umschlingungswinkel „alpha” zu: FGurtwelle = FVorratsspeicher·e(mü·alpha)
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Mit
einem kontstantem Umschlingungswinkel „alpha” und einem konstant anzunehmenden
Reibungskoeffizienten „mü” ergibt
sich damit eine direkte und ausschließliche Abhängigkeit der Gurtkraft „FGurtwelle” von der Haltekraft „FVorratsspeicher”.
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Ferner
wird vorgeschlagen, dass die Trägheitsmasse
schwenkbar gehaltert ist. Damit ist eine besonders einfach zu verwirklichende
Lagerung der Trägheitsmasse
geschaffen, die auch größere Bewegungen
der Trägheitsmasse
zulässt,
ohne den erforderlichen Bauraum der Sicherheitsgurteinrichtung unnötig zu vergrößern.
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Eine
weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass
die Trägheitsmasse über eine
Langlochverbindung an die Sicherheitsgurteinrichtung angekoppelt
ist. Damit wird bewusst die Möglichkeit
einer Relativbewegung zwischen der Trägheitsmasse und der Sicherheitsgurteinrichtung geschaffen,
so dass wenigstens eines der Teile zum Zeitpunkt der Ankopplung
bereits eine Anfangsgeschwindigkeit aufweist.
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Es
wird weiter vorgeschlagen, dass die Trägheitsmasse über ein
Getriebe angekoppelt ist, so dass die Drehbewegung der Trägheitsmasse
in übersetzter
Form auf die Kraftbegrenzungseinheit übertragen wird. Dadurch kann
den unterschiedlichen Verhältnissen
der Gurtauszugsgeschwindigkeit und der Drehbewegung der Trägheitsmasse
Rechnung getragen werden.
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Ferner
wird vorgeschlagen, dass die Bewegung der Trägheitsmasse durch das Getriebe
in einem Winkel umgelenkt wird. Da die Trägheitsmasse in Abhängigkeit
von der Fahrzeugverzögerung
auf die Kraftbegrenzungseinheit einwirken soll, ist diese bevorzugt
um eine Achse senkrecht zur Fahrtrichtung gelagert, wäh rend die
Sicherheitsgurteinrichtung in Abhängigkeit der Einbauverhältnisse
und der erforderlichen Sicherheitsgurtgeometrie eine andere Ausrichtung
haben kann. Durch die Umlenkung der Bewegung der Trägheitsmasse
in dem Getriebe kann diese dann auch mit einer Sicherheitsgurteinrichtung anderer
Ausrichtung kombiniert werden.
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Es
wird weiter vorgeschlagen, dass die Stellbewegung am Ausgang des
Getriebes einen nichtlinearen Kraft-Wegverlauf aufweist. Herdruch
wird der Erkenntnis Rechnung getragen, dass die am Insassen anliegenden
Gurtkräfte
während
der Vorwärtsverlagerung
ebenfalls nichtlinear sind, da der Kraftangriffswinkel des Gurtes
an der Schulter des Insassen sich während der Vorwärtsverlagerung ändert. Somit
wird der nichtlinearen Gurtkraft am Insassen eine ebenfalls nichtlineare
Kraftbegrenzung der Kraftbegrenzungseinheit entgegengesetzt.
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Die
Nichtlinearität
kann zum Beispiel dadurch verwirklicht werden, indem das Getriebe
wenigstens zwei die Bewegung der Trägheitsmasse übertragende
Hebel umfasst, die Hebel unterschiedlich lang sind und an ihren
Enden über
ein Verbindungselement verbunden sind.
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Ferner
wird vorgeschlagen, dass die Trägheitsmasse über ein
in ein der Sicherheitsgurteinrichtung zugeordnetes Schneckenrad
eingreifendes Zahnrad an die Sicherheitsgurteinrichtung angekoppelt
ist. Durch die vorgeschlagene Verwendung eines Schneckenrades und
ein in das Schneckenrad eingreifendes Zahnrad ist zum einen ein
sehr großes Übersetzungsverhältnis und
zum anderen gleichzeitig die Umlenkung der Drehbewegung verwirklicht. Ferner
kann die Verbindung selbsthemmend und/oder Last tragend ausgelegt
sein, so dass die Relativdrehung nur bewusst in der Vorwärtsverlagerungsphase
im Unfall möglich
ist.
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Besonders
einfach lässt
sich die Kraftbegrenzungseinheit auf die Sicherheitsgurteinrichtung anwenden,
wenn die Sicherheitsgurteinrichtung ein Gurtaufroller ist, und das
Zugelement einem blockierbaren Teil des Gurtaufrollers zugeordnet
ist. In diesem Fall wird ein bereits vorhandenes Teil, nämlich der
blockierbare Teil der Gurtwelle, genutzt um die Kraftbegrenzungseinheit
anzukoppeln. Die Gurtwelle einschließlich der Blockierfunktion
können
dadurch unverändert
aus einem bestehenden Gurtaufroller übernommen werden.
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Weiter
wird vorgeschlagen, dass der Vorratsspeicher aus einem Wickel des
Zugelementes gebildet ist und die Achse des Wickels in etwa parallel
zu der Achse der Gurtwelle des Gurtaufrollers ausgerichtet ist.
Damit ergibt sich für
das Zugelement eine einfach Anordnung und Führung gegenüber der Gurtwelle und dem Gehäuse des
Gurtaufrollers.
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Eine
weiter vereinfachte Anordnung der Teile zueinander und der Führung des
Zugelementes ergibt sich dadurch, dass die Reibungsvorrichtung an einem
Gehäuse
des Gurtaufrollers angeordnet ist. Dadurch ergibt sich im Vergleich
zu herkömmlichen Gurtaufrollern
beim Einbau in das Kraftfahrzeug kein höherer Montageaufwand.
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Ferner
wird vorgeschlagen, dass die Kraftbegrenzungseinrichtung an der
dem Gurtbandeinlauf abgewandten Seite der Gurtwelle an dem Gehäuse des
Gurtaufrollers angeordnet ist, wodurch sichergestellt ist, dass
der Gurtbandein- und Auslauf nicht gestört wird.
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Weiterhin
kann die Trägheitsmasse
an der Seite des Gurtbandeinlaufs an dem Gurtaufroller angeordnet
sein und mit einem Hebel schwenkbar an der von dem Gurtbandeinlauf
abgewandten Seite der Gurtwelle an dem Gehäuse des Gurtaufrollers gelagert
sein. Hierdurch wird unter Beibehaltung einer kompakten Bauweise
eine Möglichkeit
geschaffen, die Trägheitsmasse
mit einer möglichst
großen
Hebelarmlänge
an den Gurtaufroller anzukoppeln.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles
näher erläutert, wobei
in den Figuren im Einzelnen zu erkennen ist:
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1:
Gurtaufroller mit aktivierter Kraftbegrenzungseinheit
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2:
Gurtaufroller mit Kraftbegrenzungseinheit in Querschnittsdarstellung
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3:
Gurtaufroller mit Kraftbegrenzungseinheit vor der Aktivierung
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4:
Schnittdarstellung durch das Getriebe entlang der Schnittrichtung
B-B
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5a und 5b:
Kraftbegrenzungseinheit in zwei verschiedenen Stellungen vor und
während
der Aktivierung mit unterschiedlichen Hebelverhältnissen
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6a und 6b:
Kraftbegrenzungseinheit in zwei verschiedenen Stellungen mit zusätzlicher
Feder
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In 1 und 2 ist
eine Sicherheitsgurteinrichtung in Form eines Gurtaufrollers 1 zu
erkennen, welcher eine erfindungsgemäß ausgebildete Kraftbegrenzungseinheit 2 aufweist.
Die Sicher heitsgurteinrichtung kann jedoch ebenso ein Endbeschlag,
Gurtschloss oder ein oberer Umlenkpunkt des Sicherheitsgurtes sein.
Der Gurtaufroller 1 weist eine Gurtwelle 3 auf,
auf die das Gurtband 12 aufgewickelt wird, und die über eine
nicht dargestellte fahrzeugsensitiv und/oder gurtbandsensitiv ansteuerbare Blockiervorrichtung
in einem Zahnring 4 gegenüber einem Gehäuse 15 verriegelbar
ist. Die Kraftbegrenzungseinheit 2 umfasst ein Zugelement 7 welches
mit einem ersten Ende 7a in den Zahnring 4 eingehängt ist,
im weiteren Verlauf eine Reibungsvorrichtung in Form eines feststehenden
Bolzen 8 umschlingt und schließlich mit seinem zweiten Ende 7b zu
einer einen Vorratsspeicher 9 bildenden Vorratsrolle aufgewickelt
ist. Als Reibungsvorrichtungen können
aber alternativ auch Schikanen oder dergleichen verwendet werden.
Wichtig ist nur dass die Reibungsvorrichtung in Abhängigkeit
der anliegenden Kraft in dem Zugelement 7 von der Seite
der Vorratsrolle eine gesteuerte Kraft in dem zu der Gurtwelle 3 hinführenden Abschnitt
des Zugelementes 7 bereitstellt. Das zweite Ende 7b ist
zu einer Schlaufe gelegt und an einem der Vorratsrolle 9 zugeordneten
Bolzen festgelegt. Ferner ist eine Trägheitsmasse 5 zu erkennen,
welche über
einen Hebel 25 schwenkbar an dem Gehäuse 15 gehaltert ist
und über
ein Getriebe 6 an die Vorratsrolle 9 angekoppelt
ist. Das Getriebe 6 ist an seinem Ausgang über ein
in ein Schneckenrad 10 eingreifendes Zahnrad 11 mit
der Vorratsrolle 9 verbunden, so dass die Bewegung des
Zahnrades 11 zum einen umgelenkt und zum anderen in eine
schnellere Drehbewegung übersetzt
wird. Natürlich
gelten die Bewegungsverhältnisse
in umgekehrter Richtung entsprechend auch umgekehrt. Der Bewegungsablauf
während
des Unfalles ergibt sich dann wie folgt: Zunächst wird der Gurtaufroller 1 wie
im Stand der Technik bekannt blockiert, wobei die Blockierung hier in
den Zahnring 4 erfolgt. Durch die Blockierung des Gurtes
wird über
das Gurtband 12 eine Zugkraft F4 über den Zahnring 4 in
das Zugelement 7 eingeleitet. Gleichzeitig wird durch die
Fahrzeugverzögerung
die Trägheitsmasse 5 mit
einer Trägheitskraft
in Fahrtrichtung „A” belastet.
Die Trägheitskraft
wird dann über
den Hebel 25, das Getriebe 6, das Zahnrad 11, das
Schneckenrad 10 und schließlich über die Vorratsrolle 9 auf
das Zugelement 7 übertragen.
Damit wird das den feststehenden Bolzen 8 umschlingende Zugelement 7 sowohl
von der Gurtwelle 3 als auch von der Vorratsrolle 9 einer
Zugkraft ausgesetzt. Durch die Auslegung der Kraftbegrenzungseinheit 2 kann
die Zugkraft von der Vorratsrolle 9 dann derartig dimensioniert
werden, dass das Gurtband 12 mit einer vorbestimmten Gurtkraft
F4 ausgezogen werden kann. Da die erzeugte Trägheitskraft durch die Trägheitsmasse 5 abhängig von
der Fahrzeugverzögerung
ist, ist auch die dadurch erzeugte Zugkraft in dem von der Vorratsrolle 9 auf
den feststehenden Bolzen 8 führenden Abschnitt des Zugelementes 7 abhängig von
der Fahrzeugverzögerung
und damit in der Übersetzung
nach den Reibungsgesetzen auch in dem Gurtband 12.
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In 3 ist
der identische Gurtaufroller 1 in der Stellung vor der
Aktivierung der Kraftbegrenzungseinheit 2, mit Trägheitsmasse 5 und
Getriebe 6 zu erkennen.
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Die
Trägheitsmasse 5 erzeugt
im Unfall eine in Fahrtrichtung „A” gerichtete Trägheitskraft,
welche über
den schwenkbar gelagerten Hebelarm 25 und dem daran angeordneten
Hebelarm 20 auf das Verbindungsglied 22 und schließlich auf
den Hebelarm 21 übertragen
wird. Das Verbindungsglied 22 ist über Zapfen 29 und 30 mit
den Hebelarmen 20 und 21 verbunden, wobei der
Zapfen 30 des der Trägheitsmasse 5 zugeordneten
Hebelarmes 30 in einem Langloch 31 geführt ist,
durch welches eine begrenzte Relativbewegung ermöglicht ist. In 4 ist
das Getriebe 6 in Schnittrichtung B-B zu erkennen. Die
Drehbewegung des Hebelar mes 21 wird über ein fest mit dem Hebelarm 21 verbundenes
Zahnrad 23 auf ein Zahnrad 24 übertragen. Das Zahnrad 24 ist
drehfest auf einer Hülse 27 angeordnet,
auf der ein zweites Zahnrad 11 ebenfalls drehfest angeordnet
ist. Die Hülse 27 ist
auf einem Bolzen 26 gelagert der endseitig mit dem Hebel 25 verbunden
ist und in dem Gehäuse 15 des
Gurtaufrollers 1 gelagert ist. Das Zahnrad 11 kämmt in dem
Schneckenrad 10 und erzeugt so die nötige an der Vorratsrolle 9 angreifende
Haltekraft.
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Das
Kraftbegrenzungssystem ist in der Lage für unterschiedliche Fahrzeugverzögerungen,
welche die Unfallschwere repräsentieren,
unterschiedliche Kraftbegrenzungsniveaus zu realisieren. Dies wird
dadurch ermöglicht,
dass die Haltekraft an der Vorratsrolle 9 erzeugt durch
die Trägheitskraft
der Trägheitsmasse 5 ebenfalls
abhängig
von der Fahrzeugverzögerung
ist. Die an der Vorratsrolle 9 wirkende Haltekraft in dem
Zugelement 7 kann dann nach der Umschlingungsformel in
eine Haltekraft in dem Zugelement 7 zwischen dem feststehenden
Bolzen 8 und dem Zahnring 4 hochgerechnet werden. Aus
Versuchen hat sich gezeigt, dass mit einer Haltekraft von 20–50 N durchaus
Kräfte
von 2000–5000 N
im Gurt gehalten werden können.
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In
den 5a und 5b ist
der Mechanismus mit den wirkenden Kräften und Hebelarmen zum besseren
Verständnis
der Erfindung zu Beginn des Unfalls und zu einem späteren Zeitpunkt
zu erkennen. In 5a befindet sich die Kraftbegrenzungseinheit
in der Stellung zu Beginn des Unfalles in der durch die Fahrzeugverzögerung eine
Kraft F3 im Schwerpunkt „G” der Trägheitsmasse 5 in
Fahrtrichtung „A” erzeugt
wird. Die Trägheitskraft
F3 erzeugt dann ein Moment F3 × Z1
welches durch das Verbindungsglied 22 nach den Gesetzen
der Vektorrechnung und der Hebelarmgesetze in ein Moment N1 × D1 umgerechnet
werden kann. Auf die mathematischen Formeln zur Umrechnung wird
hier nicht näher eingegangen,
da diese aus gängigen
Mathematik und Physikfachbüchern
bekannt sind und damit dem Fachmann ebenfalls geläufig sind.
Die Hebelarme 20 und 21 befinden sich in dieser
Stellung jeweils in einem Winkel X1 und Y1 zu einer horizontalen
Geraden. Aufgrund der Anordnung der Trägheitsmasse 5 und
der Lagerung des Hebels 25 auf gegenüberliegenden Seiten der Gurtwelle 3 kann
der Hebelarm 25 besonders lang ausgebildet werden, so dass
insgesamt zur Erzeugung eines bestimmten Momentes F3 × Z1 nur
eine relativ kleine Trägheitsmasse 5 erforderlich
ist.
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In 5b ist
die identische Kraftbegrenzungseinheit 2 in der Stellung
zu einem späteren Zeitpunkt
zu erkennen. Der Insasse hat bereits eine gewisse kraftbegrenzte
Vorverlagerung ausgeführt, so
das das Zugelement 7 auf den Zahnring 4 aufgewickelt
wurde und von der Vorratsrolle 9 entsprechend abgewickelt
wurde. Aufgrund der Drehung der Vorratsrolle 9 in Auszugrichtung
des Zugelementes 7 wurde die Trägheitsmasse 5 über die
Drehung des Schneckenrades 10, des Zahnrades 11,
die Zahnräder 24 und 23 und
schließlich
der Hebel 21 und 20 mit dem Verbindungsglied 22 entgegen
der Trägheitskraft
gegen den Uhrzeigersinn verdreht. Die der Drehung entgegenwirkende
Trägheitskraft
hat dabei, wie oben beschrieben, durch die Übersetzung in dem Getriebe 6 und
durch die Umschlingung des feststehenden Bolzens 8 die
im Gurt auf den Insassen wirkende Rückhaltekraft erzeugt. Die Momente
in der Stellung der 5b ergeben sich nun zu F3 × Z2 und auf
den Hebelarm 21 zu N2 × D2.
Der Hebelarm 25 und der Hebelarm 20 haben dabei
eine Winkel X2 – X1,
und der Hebelarm 21 einen Winkel von Y2 – Y1 zurückgelegt.
Da der Hebelarm 21 kürzer
als der Hebelarm 20 ausgebildet ist, ergibt sich damit
automatisch ein nichtlinearer Kraft-Wegverlauf der Haltekraft an
der Vorratsrolle 9, so dass auch die auf den Insassen wirkende
Rückhaltekraft
während
der Vorwärtsverlagerung
nichtlinear ist und somit die nichtlinearen Gurtkräfte aufgrund
des sich ändernden
Gurtangriffswinkels an der Schulter des Insassen kompensiert.
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In
den 6a und 6b ist
eine Weiterentwicklung der Erfindung dargestellt, wobei hier zusätzlich eine
Feder 32 vorgesehen ist, die mit einem Ende an einen Einhängungspunkt 33 an
dem Hebelarm 25 und mit dem anderen Ende über einen
Hebelarm 34 an dem Zahnrad 23 gehalten ist. Aufgrund
der wirkenden Hebelverhältnisse
ergibt sich dadurch zu Beginn des Unfalls ein auf das Zahnrad 23 wirkendes Moment
von F1 × L1
und zu einem späteren
Zeitpunkt bei verschwenktem Hebelarm 25 von F2 × L2. Da
der Hebelarm L2 kleiner als der Hebelarm L1 ist, wird ein degressives
Moment in das Zahnrad 23 eingeleitet. Aufgrund des eingeleiteten
degressiven Momentes wird der durch die Trägheitskraft erzeugten Haltekraft
ein degressiver Anteil an Rückhaltekraft überlagert,
so dass sich insgesamt bei entsprechender Auslegung insgesamt ein
degressiver Verlauf der Kraftbegrenzung ergibt.