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Die
Erfindung betrifft eine Kraftbegrenzungseinrichtung für
ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch
1.
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Kraftbegrenzungseinrichtungen
sind im Allgemeinen aus verschiedenen Anwendungen in Kraftfahrzeugen
bekannt. So sind z. B. Lenkräder bekannt, die im Crashfall
durch den aufprallenden Insassen eintauchen, und eine Einrichtung
zur Energieabsorption aufweisen, durch die die auf den Insassen
einwirkende Kraft begrenzt wird. Ferner sind in der gesamten Fahrzeugstruktur
nachgiebige Deformationsglieder vorgesehen, durch die im Crashfall Energie
vernichtet wird, so dass die auf die Fahrgastzelle einwirkende Kraft
begrenzt wird.
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Ferner
ist es bekannt, in Sicherheitsgurten Elemente zur Kraftbegrenzung
vorzusehen, durch die die im Crashfall auf den Insassen einwirkende Kraft
während der durch die Kraftbegrenzungseinrichtung ermöglichten
Vorwärtsverlagerung begrenzt wird. Hierzu haben sich in
der Praxis vor allem zweiteilige Gurtwellen mit einem zwischen beiden
Teilen der Gurtwelle angeordneten Torsionsstab bewährt. Im
Crashfall wird dann ein Teil der Gurtwelle gegenüber dem
Fahrzeug blockiert, während der jeweils andere Teil mit
dem Sicherheitsgurt verbunden ist und in Gurtauszugsrichtung rotiert.
Während der Relativdrehung der beiden Teile zueinander
wird der zwischen beiden Teilen angeordnete Torsionsstab energieverzehrend
um die eigene Achse plastisch verformt, wodurch die Kraft in dem
Sicherheitsgurt während der Vorwärtsverlagerung
des Insassen entsprechend begrenzt wird. Das Kraftbegrenzungsniveau wird
dabei durch den Torsionsstab bestimmt und kann nicht verändert
werden.
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Aus
der auf die Anmelderin zurückgehende
WO 2006/108451 A1 ist
ein neuartiges Kraftbegrenzungssystem mit den Merkmalen des Oberbegriffs von
Anspruch 1 bekannt, welches damit den für die Erfindung
nächstliegenden Stand der Technik bildet. Das dort beschriebene
Kraftbegrenzungssystem ist aus zwei sich zueinander bewegenden Teilen
gebildet, deren Bewegung zueinander durch ein mit einer vorgegebenen
Frequenz in Schwingung versetztes Massesystem gesteuert wird. Die
Vernichtung der Energie erfolgt dadurch, indem die Teile abwechselnd
verzögert und beschleunigt werden, wobei die Frequenz nahezu
unabhängig von der einwirkenden Kraft ist. Dadurch können
mit diesem Kraftbegrenzungssystem unterschiedliche Kraftbegrenzungsniveaus
in Abhängigkeit der Masse der bewegten Teile und des im
Gefahrenfall auftretenden Impulses verwirklicht werden, wobei die
Frequenz und der Weg der Vorwärtsverlagerung annähernd
konstant ist.
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Aufgabe
der Erfindung ist es eine Kraftbegrenzungseinrichtung mit zwei eine
frequenzbedingt gesteuerte Bewegung zueinander ausführenden
Teilen mit einem möglichst einfachen und klein bauenden
Aufbau zu schaffen.
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Die
Lösung der Aufgabe erfolgt dadurch, dass die sich relativ
zueinander bewegenden Teile ineinandergreifende Verzahnungen aufweisen
und die frequenzbedingt gesteuerte Bewegung dadurch erfolgt, dass
wenigstens eines der Teile gegenüber dem anderen Teil eine
wellenförmige Vorschubbewegung ausführt, bei der
die Verzahnungen wechselnd in Eingriff und außer Eingriff
gelangen.
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Der
Grundgedanke der Erfindung ist darin zu sehen, dass die frequenzbedingt
gesteuerte Bewegung nicht durch ein gesondertes Massesystem erfolgt,
sondern dadurch dass die Teile selbst Verzahnungen aufweisen, und
wenigstens eines der Teile eine wellenförmige Vorschubbewegung
ausführt, die durch das wechselnde in Eingriff und außer
Eingriff Gelangen der Verzahnungen gesteuert wird. Die Steuerung
der Vorschubbewegung erfolgt damit durch die Bewegung des Teiles
selbst, so dass ein gesondertes Massesystem entfällt. Da
nunmehr das die Kraft begrenzte Bewegung selbst ausführende Teil
auch zur Ausführung der Energie verzehrenden Schwingbewegung
genutzt wird, und dieses aufgrund seiner Auslegung bereits eine
hohe Masse aufweisen kann, kann durch die erfindungsgemäße
Lösung bereits eine sehr große Energie vernichtet
werden, ohne dass das Gewicht durch ein zusätzliches Massesystem
wie im Stand der Technik erforderlich unnötig vergrößert
wird. Damit kann mit der erfindungsgemäßen Kraftbegrenzungseinrichtung
bei kleinerem Gewicht der Kraftbegrenzungseinrichtung ein höheres
Kraftbegrenzungsniveau erzeugt werden, oder umgekehrt die Kraftbegrenzungseinrichtung
für einen vorgegebenen Bereich der Kraftbegrenzung verkleinert
werden. Außerdem kann durch das ineinander Greifen der
Verzahnungen eine große Anzahl von aneinander anliegenden
Zähnen geschaffen werden, wodurch eine entsprechend große Überdeckung
erzielt wird und entsprechend große Kräfte aufnehmbar
sind. Die mit der Kraftbegrenzungseinrichtung erzeugbare Kraftbegrenzungscharakteristik
ist im Übrigen identisch mit der aus der
WO 2006/108451 A1 bekannten,
so dass diesbezüglich auf diese Schrift ausdrücklich
verwiesen wird.
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Es
wird weiter vorgeschlagen, dass die sich relativ zueinander bewegenden
Teile wenigstens ein zweites Paar ineinandergreifender Verzahnungen aufweisen
und das zweite Paar ineinander greifender Verzahnungen versetzt zu
dem ersten Paar ineinandergreifender Verzahnungen ineinandergreift.
Hierdurch wird das sich mit einer wellenförmigen Vorschubbewegung
bewegende Teil wechselweise mit zwei Verzahnungen versetzt in Eingriff
gebracht, wodurch die Frequenz vervielfacht und die vernichtete Energie
erheblich erhöht wird. Aufgrund der Erhöhung der
vernichteten Energie kann die Kraftbegrenzungseinrichtung bei der
Auslegung für einen vorgesehenen Bereich eines Kraftbegrenzungsniveaus weiter
verkleinert werden.
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Bevorzugt
sind das erste und das zweite Paar ineinandergreifender Verzahnungen
auf gegenüberliegenden Seiten an einem der Teile angeordnet, wobei
wenigstens zwei der Verzahnungen an einem Teil versetzt zueinander
angeordnet sind. Dadurch führt das außer Eingriff
bringen eines Paares von Verzahnungen durch das Abgleiten der Zahnflanken automatisch
zu einem in Eingriff bringen des anderen Paares von Verzahnungen,
so dass das System bei entsprechender Auslegung nicht stehen bleiben kann.
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Weiterhin
wird vorgeschlagen, dass zwischen den ineinandergreifenden Verzahnungen
ein Dämpfungsmittel angeordnet ist, so dass die hohe Anlaufgeschwindigkeit
der Kraftbegrenzungseinrichtung, die sich aufgrund des Impulses
zu Anfang der Kraftbegrenzung einstellt, gedämpft wird.
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Ferner
wird vorgeschlagen, dass die Kraftbegrenzungseinrichtung an einer
Gurtwelle eines Gurtaufrollers angeordnet ist, und dass das die
wellenförmige Vorschubbewegung ausführende Teil
mit der Gurtwelle kraftschlüssig verbunden ist.
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In
diesem Fall ist das die Vorschubbewegung ausführende Teil
vorzugsweise durch eine drehbare Verzahnungsscheibe mit einer Axialverzahnung
gebildet, und die Verzahnungsscheibe mit ihrer Axialverzahnung in
eine gehäusefeste Verzahnung in Eingriff bringbar. Die
Vorschubbewegung ist dadurch durch die Drehbewegung der Verzahnungsscheibe verwirklicht,
so dass diese in ihrer Länge unbegrenzt ist und ferner
unabhängig von der Stellung der Verzahnungsscheibe immer
die gleiche Anzahl von Zähnen, vorzugsweise die gesamte
Verzahnung, in Eingriff mit der gehäusefesten Verzahnung
bringbar ist.
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Damit
die durch die Kraftbegrenzungseinrichtung erzeugte Kraftbegrenzung
eine vorbestimmte Grundlast aufweist, wird vorgeschlagen, dass die Verzahnungsscheibe
in Richtung des Ineinandergreifens der Axialverzahnung und der gehäusefesten Verzahnung
federbelastet ist.
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Ferner
wird vorgeschlagen, dass die Axialverzahnung durch radial zum Mittelpunkt
der Verzahnungsscheibe gerichtete Zähne gebildet ist. Damit wird
die Verzahnungsscheibe automatisch durch die Axialverzahnung zentriert,
da ein Auslenken der Verzahnungsscheibe aus der zentrierten Lage
durch die Zähne selbst verhindert wird.
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Eine
weitere bevorzugte Ausführung der Erfindung wird dadurch
erreicht, indem zwischen der Gurtwelle und dem die wellenförmige
Vorschubbewegung ausführenden Teil ein Getriebe vorgesehen ist.
Hierdurch kann die Frequenz der Vorschubbewegung, die das Kraftbegrenzungsniveau
bestimmt, unabhängig von der Drehbewegung der Gurtwelle
in Gurtbandauszugsrichtung ausgelegt werden. Insbesondere kann die
Frequenz der Vorschubbewegung erhöht werden, so dass das
Kraftbegrenzungsniveau angehoben wird oder die Kraftbegrenzungseinrichtung
bei vorgegebenem Kraftbegrenzungsniveau weiter verkleinert werden
kann.
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Eine
besonders günstige Form des Getriebes ist dadurch gege ben,
indem dieses ein Planetengetriebe ist, die Gurtwelle drehfest mit
den Planetenrädern verbunden ist, und die Verzahnungsscheibe durch
das Sonnenrad und/oder einen Innenverzahnungsring gebildet ist,
welche Radialverzahnungen aufweisen, in die die Planetenräder
eingreifen. Das Planetengetriebe bietet sich insofern an, als dass
es einen symmetrischen Aufbau aufweist und platzsparend in einer
Ebene angeordnet werden kann, wobei sehr hohe Über- und
Untersetzungsverhältnisse mit einem sehr ruhigen Lauf bei
kleinem Bauraum möglich sind. Ferner kann die Drehbewegung
der Gurtwelle durch die Anbindung über die Planetenräder
an mehreren Punkten in das Sonnenrad und/oder den Innenverzahnungsring
eingeleitet werden, so dass sich insgesamt eine gute Verteilung
des Kraftflusses und damit eine Reduzierung der maximal auftretenden
Kräfte in den Bauteilen ergibt.
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Ferner
wird vorgeschlagen, dass das durch die wellenförmige Vorschubbewegung
des Sonnenrades und das durch die wellenförmige Vorschubbewegung
des Innenverzahnungsringes erzeugte Kraftbegrenzungsniveau unterschiedlich
sind. Damit können mit ein und derselben Kraftbegrenzungseinrichtung
zwei verschiedene Kraftbegrenzungsniveaus verwirklicht werden, je
nachdem ob das Sonnenrad oder der Innenverzahnungsring angetrieben
wird.
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Damit
das Niveau der Kraftbegrenzung aktiv bestimmt werden kann, wird
weiter vorgeschlagen, dass das Sonnenrad und/oder der Innenverzahnungsring
eine lösbare Feststelleinrichtung aufweisen. Durch das
Festlegen des Sonnenrades oder des Innenverzahnungsringes wird automatisch
bestimmt, dass das jeweils andere Teil angetrieben wird und damit
das Kraftbegrenzungsniveau bestimmt.
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In
diesem Fall ist die lösbare Feststelleinrichtung bevorzugt dem
Sonnenrad oder dem Innenverzahnungsring zugeordnet, welches/welcher
bei der wellenförmigen Vorschubbewegung das niedrigere Kraftbegrenzungsniveau
erzeugt. Damit wirkt zu Beginn der Kraftbegrenzung das höhere
Kraftbegrenzungsniveau, während nach dem Lösen
der Feststelleinrichtung automatisch das niedrigere Kraftbegrenzungsniveau
wirkt, da nunmehr das Teil mit dem höheren Kraftbegrenzungsniveau
automatisch als Festlager wirkt, ohne dass hierfür eine
gesonderte Feststelleinrichtung erforderlich ist.
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Ferner
kann die Kraftbegrenzungseinrichtung ein Gehäuse aufweisen
und zwischen dem Gehäuse und der Gurtwelle und/oder dem
Planetengetriebe Mittel zur Begrenzung des Drehwinkels vorgesehen
sein, so dass die Vorverlagerung während der Kraftbegrenzung
begrenzt ist, wobei die Begrenzung natürlich nicht schlagartig
erfolgen muss, sondern auch entsprechend eines Verzögerungsanstieges
erfolgen kann.
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In
diesem Fall wird weiter vorgeschlagen, dass die Mittel durch ein
oder mehrere Zahnräder gebildet sind, die in einer dem
Gehäuse und einer der Gurtwelle oder dem Planetengetriebe
zugeordneten Verzahnung kämmen, und die durch die beiden
Verzahnungen gebildete Bahn sich zum Ende hin verjüngt.
Die Verzahnungen stellen eine Führung der Relativdrehung
dar, die durch die Verjüngung ferner eine sehr gute Möglichkeit
des Abbremsens der Relativdrehung ermöglicht.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand mehrerer bevorzugter Ausführungsbeispiele
erläutert. In den Figuren sind im Einzelnen zu erkennen:
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1a–1d:
Kraftbegrenzungseinrichtung mit zwei linear zueinander bewegten
Teilen
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2:
Kraftbegrenzungseinrichtung mit einer in einer Gehäuseverzahnung
kämmenden eine Drehbewegung ausführende Verzahnungsscheibe
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3:
Kraftbegrenzungseinrichtung mit Planetengetriebe in Explosionsdarstellung
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4:
Kraftbegrenzungseinrichtung mit Planetengetriebe in zusammengesetztem
Zustand ohne Gehäuseabdeckung
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5:
Kraftbegrenzungseinrichtung mit Planetengetriebe in zusammengesetztem
Zustand im Querschnitt
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6a–6d:
Wellenförmige Vorschubbewegung der Verzahnungsscheiben
während der Kraftbegrenzung
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7:
Kraftbegrenzungseinrichtung mit Schaltring
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8a–8c:
Kraftbegrenzungseinrichtung mit Schaltring in verschiedenen Stellungen
während der Kraftbegrenzung
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9:
Gehäuse der Kraftbegrenzungseinrichtung mit Innenverzahnung,
Antriebsscheibe mit Außenverzahnung und Zahnrädern
zur Begrenzung des Drehwinkels
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10:
Verlauf der Kraftbegrenzung über der Relativgeschwindigkeit
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11:
Verlauf der Kraftbegrenzung für verschiedene Insassentypen
und verschiedene Impulse
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In
der 1a bis 1d ist
zunächst ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
zu erkennen, bei der zwei Teile 1 und 2 vorgesehen
sind, welche eine erfindungsgemäße Kraftbegrenzungseinrichtung
bilden und in verschiedenen Anwendungen im Kraftfahrzeug vorgesehen
werden können. Eines der Teile 1 oder 2 ist
fest am Fahrzeug angeordnet, in diesem Fall das Teil 2,
während das jeweilige andere Teil 1 oder 2,
hier das Teil 1, eine Kraft begrenzte Bewegung ausführt.
Das Teil 1 kann z. B. ein Lenkrad oder ein diesem zugeordnetes
Teil sein, oder auch ein Deformationsglied in der Fahrzeugstruktur
sein. Letztlich ist die Kraftbegrenzungseinrichtung für
alle Anwendungen in Kraftfahrzeugen geeignet, bei denen Energie
vernichtet werden soll bzw. eine Kraft begrenzte Deformation oder
Bewegung zum Schutze des Insassen, oder der Fahrgastzelle ermöglicht
werden soll.
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Das
Teil 1 ist an seinen gegenüberliegenden Seiten
mit Verzahnungen 3 und 5 versehen, und greift
in ein Teil 2 ein, welches ebenfalls mit Verzahnungen 4 und 6 versehen
ist. In der in 1a gezeigten Stellung befinden
sich zunächst die Verzahnungen 5 und 6 im
Eingriff. Wird nun eine Kraft in Pfeilrichtung „A” auf
das Teil 1 ausgeübt, so gleiten die Verzahnungen 5 und 6 an
ihren Zahnflanken ab und das Teil 1 wird in Pfeilrichtung „I”,
wie in 1b zu erkennen ist, beschleunigt.
Durch das Abgleiten an den Zahnflanken gelangen die Verzahnungen 5 und 6 außer
Eingriff und die gegenüberliegenden Verzahnungen 3 und 4 werden
in Eingriff gedrängt, bis diese ihre in 1c dargestellte
Eingriffsstellung erreicht haben. Wird die Vorschubbewegung aus
der in 1c dargestellten Stellung weiter
fortgesetzt, so beginnen nun die Zahnflanken der Verzahnungen 3 und 4 aneinander
abzugleiten und das Teil 1 vollzieht eine Bewegung in Pfeilrichtung „II”,
so dass schließlich die Verzahnungen 5 und 6 wieder
in Eingriff gelangen.
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Das
Teil 1 vollzieht demnach bei Krafteinwirkung in Pfeilrichtung „A” eine
wellenförmige Vorschubbewegung gebildet aus den sich abwechselnden
Bewegungen in den Pfeilrichtungen „I” und „II”. Aufgrund
des sich ständig abwechselnden Beschleunigens und Abbremsens
des Teiles 1 wird die Energie abgebaut und die gewünschte
kraftbegrenzte Relativbewegung bewirkt.
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In 2 ist
ein alternatives Ausführungsbeispiel dargestellt, bei der
die Kraftbegrenzungseinrichtung einem nicht dargestellten Gurtaufroller
zugeordnet ist. Die Kraftbegrenzungseinrichtung ermöglicht
dann bei blockiertem Gurtaufroller eine kraftbegrenzte Vorwärtsverlagerung
des Insassen zur Reduzierung der Insassenbelastung, wie dies auch
bei bisher bekannten Gurtaufrollern mit Kraftbegrenzung der Fall
ist. Die Kraftbegrenzungseinrichtung weist eine Nabe 7 auf,
welche mittig eine Vierkantöffnung 8 zum Anschluss
des Gurtaufrollers aufweist. Die Nabe 7 ist außenseitig
mit einer Verzahnung 9 versehen, welche in eine Innenverzahnung 36 einer
Verzahnungsscheibe 10 eingreift und diese bei blockiertem Gurtaufroller
antreibt. Die Kraftbegrenzungseinrichtung ist hierzu entweder zwischen
zwei Teilen einer Gurtwelle angeordnet, wie dies bisher von den
Torsionsstäben bekannt ist, oder sie ist zwischen dem blockierten
Teil, auch Profilkopf genannt, und dem Gehäuserahmen des
Gurtaufrollers angeordnet. In dem zweiten Fall blockiert der Gurtaufroller
dann nicht in den Gehäuserahmen sondern in die Kraftbegrenzungseinrichtung.
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Die
Kraftbegrenzungseinrichtung ist gebildet durch zwei feststehende
Gehäusescheiben 16 und 12, zwischen denen
im zusammengebauten Zustand ein Distanzring 11 angeordnet
ist. Ferner ist zwischen den Gehäusescheiben 16 und 12 die
von der Gurtwelle während der Kraftbegrenzung angetriebene Verzahnungsscheibe 10 angeordnet,
welche beidseitig versetzt zueinander angeordnete Verzahnungen 13 und 14 aufweist.
Die Verzahnungen 13 und 14 greifen in den Gehäusescheiben 16 und 12 zugeordnete
Verzahnungen ein, wobei hier nur die Verzahnung 15 an der
Gehäusescheibe 12 zu erkennen ist. Die Verzahnungen 13 und 14 sind
durch radial zum Mittelpunkt der Verzahnungsscheibe 10 gerichtete Zähne
gebildet, die sich gleichmäßig über den
Umfang der Verzahnungsscheibe 10 verteilen und damit zusätzlich
einen Zentrierungseffekt für die Verzahnungsscheibe 10 gegenüber
den feststehenden Gehäusescheiben 16 und 12 bewirken.
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Beim
Antrieb der Verzahnungsscheibe 10 vollzieht diese eine
Relativdrehbewegung zu den Gehäusescheiben 16 und 12,
so dass die Verzahnungsscheibe 10 und die Gehäusescheiben 16 und 12 hier die
anspruchsgemäßen sich relativ zueinander bewegenden
Teile darstellen. Die Verzahnungen 13 und 15 und
die Verzahnung 14 und die nicht zu erkennende Verzahnung
der Gehäusescheibe 16 gelangen dabei wechselweise
in und außer Eingriff, so dass die Verzahnungsscheibe 10 eine
wellenförmige Vorschubbewegung ausführt, die hier
allerdings eine Drehbewegung ist. Der wesentliche erkennbare Unterschied
zu der aus dem Stand der Technik bekannten Lösung besteht
darin, dass hier ohne Zwischenschaltung eines gesonderten Massesystems
direkt das an die Gurtwelle angeschlossene Teil, nämlich die
Verzahnungsscheibe 10, die Energie vernichtende Schwingbewegung
ausführt. Dies bietet den Vorteil, dass die Kosten für
das gesonderte Massesystem entfallen und ein Teil mit einer relativ
großen Masse schwingt, wodurch eine entsprechend große Energie
vernichtet werden kann, oder anders ausgedrückt mit einer
kleinen Kraftbegrenzungseinrichtung ein relativ großes
Kraftbegrenzungsniveau erzielt werden kann. Durch die Anregung eines
möglichst großen Teiles zur Ausführung
der wellenförmigen Vorschubbewegung können auch
eine große Anzahl von Zähnen vorgesehen werden,
die letztlich eine große Dämpfung und damit ein großes
Kraftbegrenzungsniveau ermöglichen.
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Ferner
ist die Überdeckung der Verzahnungen im Vergleich zu der
Lösung aus dem Stand der Technik wesentlich größer,
so dass erheblich größere Kräfte aufgenommen
werden können, bzw. die Teile für dasselbe Kraftbegrenzungsniveau
kleiner ausgelegt werden können.
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In
den 3 bis 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Kraftbegrenzungseinrichtung
mit einem Planetengetriebe 47 zu erkennen. Die nicht dargestellte
Gurtwelle ist hier über eine Antriebsscheibe 17 angeschlossen,
welche eine Außenverzahnung 44 aufweist und derart
angeordnet ist, dass sie mit einer Innenverzahnung 45 eines
Gehäuses 48 der Kraftbegrenzungseinrichtung einen
Verzahnungskanal bildet, der auch in der 9 dargestellt
ist.
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In
dem Verzahnungskanal sind die Zahnräder 43a und 43b angeordnet,
die in der feststehenden Innenverzahnung 45 des Gehäuses 48 und
der sich drehenden Außenverzahnung 44 der Antriebsscheibe 17 kämmen.
Der Verzahnungskanal verjüngt sich zum Ende hin, so dass
die Drehbewegung der Antriebsscheibe 17 in Pfeilrichtung „D” begrenzt
ist und das Anhalten der Antriebsscheibe 17 gedämpft erfolgt.
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Die
Kraftbegrenzungseinrichtung ist hier mit einem Planetengetriebe 47 versehen,
welches zwischen der feststehenden Gehäusescheibe 46 und den
gehäusefesten Verzahnungsringen 20 und 40 angeordnet
ist. Die Antriebsscheibe 17 ist mit axialgerichteten Zapfen 18 versehen,
die in die Planetenzahnräder 19 eingreifen und
diese in Umfangsrichtung antreiben.
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Die
Planetenzahnräder 19 befinden sich im Eingriff
mit einer Außenverzahnung 29 eines Sonnenrades 22 und
einer Innenverzahnung 30 eines Innenverzahnungsringes 21.
Sowohl der Innenverzahnungsring 21 als auch das Sonnenrad 22 sind
mit gegenüberliegenden axialgerichteten Verzahnungen 23, 24 und 26, 28 versehen,
welche zwischen den an den feststehenden Verzahnungsringen 20 und 40 angeordneten
Verzahnungen 25 und 27 und den Verzahnungen 35 und 37 der
Gehäusescheibe 46 angeordnet sind. Zwischen den
Verzahnungen 23, 35, 28 und 37 sind
Gummiringe 31, 32 angeordnet, welche als Dämpfungsmittel
für die Relativbewegung der Teile zueinander wirken und
die relativ hohe Anlaufgeschwindigkeit zu Beginn der Kraftbegrenzung dämpfen.
Ferner sind Federringe 33 und 34 vorgesehen, welche
den Innenverzahnungsring 21 und das Sonnenrad 22 axial
mit einer Federkraft beaufschlagen, und so die Verzahnungen 24, 25 und 26, 27 in Eingriff
drängen.
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Das
Prinzip der Kraftbegrenzung ist identisch zu dem in 2 beschriebenen
Ausführungsbeispiel, nur das hier je nachdem ob der Innenverzahnungsring 21 oder
das Sonnenrad 22 festgelegt ist, das jeweils andere Teil
die wellenförmige Vorschubbewegung ausführt, welche
hier ebenfalls eine Drehbewegung ist. Da das durch die wellenförmige Vorschubbewegung
des Innenverzahnungsringes 21 und des Sonnenrades 22 erzeugte
Kraftbegrenzungsniveau unterschiedlich sein kann, können
mit dieser Kraftbegrenzungseinrichtung folglich auch unterschiedliche
Niveaus der Kraftbegrenzung eingestellt werden, je nachdem ob der
Innenverzahnungsring 21 oder das Sonnenrad 22 angetrieben
wird.
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Das
Prinzip der Kraftbegrenzung ist in den 6a bis 6d nochmals
anhand der Bewegungen der Verzahnungen 24, 25, 23 und 35 des
Innenverzahnungsringes 21 dargestellt. Die Bewegung des
Sonnenrades 22 und der Verzahnungsscheibe 10 aus 2 während der
Kraftbegrenzung ist identisch zu der des Innenverzahnungsringes 21 und
wird aus diesem Grunde nicht dargestellt.
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Der
Innenverzahnungsring 21 wird durch die Planetenzahnräder 19 zunächst
in Pfeilrichtung „A” angetrieben. Durch das Abgleiten
der Zahnflanken der Verzahnungen 24 und 25 wird
der Umfangsbewegung in Pfeilrichtung „A” eine
Bewegung in Axialrichtung überlagert, so dass sich der
Innenverzahnungsring 21 dabei in Pfeilrichtung „B” bewegt
und die Verzahnungen 24 und 25 außer
Eingriff und die Verzahnungen 23 und 35 in Eingriff
gedrängt werden. Nach dem Erreichen der in 6c dargestellten
Umkehrstellung und Fortführung der Vorschubbewegung wird der
Innenverzahnungsring 21 dann entgegengesetzt in Pfeilrichtung „C” bewegt.
Aufgrund des ständigen Abbremsens und wieder Beschleunigens
des Innenverzahnungsringes 21 in und aus den Umkehrstellungen
wird die Energie dann kinematisch abgebaut. Wobei die Energie dann
z. B. in Wärme, Verlustenergie durch innere Reibung und
dergleichen umgewandelt wird.
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In 5 ist
ferner zu erkennen, wie der Schaltring 38 das Sonnenrad 22 in
der Stellung hält, in der sich die Verzahnungen 28 und 37 in
Eingriff befinden, obwohl dieses von der anderen Seite durch den
Federring 34 in Richtung des Verzahnungsringes 40 mit
einer Federkraft beaufschlagt wird. Hierdurch ist das Sonnenrad 22 zu
Beginn der Kraftbegrenzung festgelegt, so dass es keine wellenförmige
Vorschubbewegung ausführen kann und demnach gegenüber der
Gehäusescheibe 46 festgelegt ist. In dieser Stellung
wird das Kraftbegrenzungsniveau ausschließlich durch die
beschriebene Bewegung des Innenverzahnungsringes 21 bestimmt
und das Sonnenrad 22 kann als Festlager angesehen werden.
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Wie
in den 7 und 8a zu erkennen ist, wird der
Schaltring 38 zu Beginn der Kraftbegrenzung durch einen
sich auf dem Verzahnungsring 40 abstützenden Mitnehmer 39 in
einem Abstand von diesem gehalten, so dass die Verzahnungen 27 und 26 nicht
in Eingriff gelangen können. Der Schaltring 38 wirkt
als lösbare Feststelleinrichtung, wobei die Festlegung
des Sonnenrades 22 letztlich durch das ineinander Greifen
der Verzahnungen 28 und 37 erfolgt.
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Wie
in den 8a bis 8c dargestellt,
erfolgt das Schalten dadurch, dass die Antriebsscheibe 17 mit
einem Anschlag 42 versehen ist, der bei Rotation während
der Kraftbegrenzung in Pfeilrichtung „S” an dem
Mitnehmer 39 zur Anlage gelangt und bei weiterer Drehung
diesen in Umfangsrichtung verschiebt. Der Mitnehmer 39 kommt
durch die Verschiebung in Umfangsrichtung über eine Ausnehmung 41 in
dem Verzahnungsring 40 und wird durch die Federkraft des
Federringes 34 in diese gedrückt. Durch die Axialverschiebung
des Schaltringes 38 wird das aus Gründen der Übersichtlichkeit
in den 8a–8c nicht
dargestellte Sonnenrad 22 axial nicht mehr unterstützt
und kann sich zwischen den Verzahnungen 27 und 37 frei
bewegen. Da die durch die wellenförmige Vorschubbewegung
des Innenverzahnungsringes 21 erzeugte Kraftbegrenzung
höher als die durch die wellenförmige Vorschubbewegung des
Sonnenrades 22 erzeugte Kraftbegrenzung ist, beginnt nach
der Schaltung durch die beschriebene Bewegung des Schaltringes 38 das
Sonnenrad 22 die Vorschubbewegung auszuführen,
während der Innenverzahnungsring 21 als Festlager
wirkt. Da das Niveau der Kraftbegrenzung abhängig von der
Unfallschwere und dem Insassen ist, kann das durch die wellenförmige
Vorschubbewegung des Sonnenrades 22 erzeugte Kraftbegrenzungsniveau
auch so hoch sein, dass der Innenverzahnungsring 21 nicht
mehr als Festlager wirkt, sondern ebenfalls zu einer schwingenden
Drehbewegung angeregt wird. In diesem Fall liegt eine Reihenschaltung
des Sonnenra des 22 und des Innenverzahnungsringes 21 vor
und der Innenverzahnungsring 21 hat gleichzeitig die Funktion
einer Überlastsicherung.
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In 10 ist
zum besseren Verständnis der Erfindung zunächst
die Veränderung der Kraftbegrenzung aufgetragen über
der Gurtauszugsgeschwindigkeit dargestellt. Die Gurtauszugsgeschwindigkeit
resultiert im Crash daraus, dass der Insasse zum Zeitpunkt T0 dem
Auftreffen des Fahrzeuges auf das Hindernis, an dem die Fahrzeuggeschwindigkeit idealisiert
als gleich null angenommen wird, aufgrund seiner Trägheit
noch eine Vorwärtsbewegung ausführt, so dass der
Gurt aus dem fest mit dem Fahrzeug verbundenen Gurtaufroller ausgezogen
wird. Die mit „I” gekennzeichnete Gerade stellt
den Verlauf der Kraftbegrenzung mit einem Torsionsstab von 4000
N nach heutigem Stand der Technik dar. Das Kraftbegrenzungsniveau
ist unabhängig von der Gurtauszugsgeschwindigkeit, so dass
diese Art der Kraftbegrenzung weder insassen- noch crashadaptiv ist.
Im Vergleich dazu ist mit „II” der Verlauf der
Kraftbegrenzung mit der erfindungsgemäßen Kraftbegrenzungsvorrichtung
dargestellt. Erkennbar ist die Kraftbegrenzung proportional zu dem
Quadrat der Gurtbandauszugsgeschwindigkeit. Dies ist dadurch begründet,
dass bei höherer Gurtauszugsgeschwindigkeit die Frequenz
des schwingenden Systems höher ist und damit auch die durch
die Kraftbegrenzungseinrichtung vernichtete Energie bzw. das damit verbundene
Kraftbegrenzungsniveau.
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In 11 ist
der Verlauf der Kraftbegrenzung während des Unfalles für
verschiedene Unfallimpulse und Insassentypen dargestellt, um den
praktischen Nutzen für die Rückhaltefunktion des
Insassen besser zu verstehen. Die Kurven C1 bis C4 zeigen den Kraftbegrenzungsverlauf
für eine Crashgeschwindigkeit von 32 km/h mit einer erfindungsgemäßen
Kraftbegrenzungseinrich tung nach 2 mit 42 wechselweise
in und außer Eingriff gelangenden Zähnen. C1 zeigt
die Kurve für einen HIII Dummy, 95% Mann, C2 die Kurve
eines HIII Dummys 50% Frau, C3 die Kurve eines HIII Dummys 5% Frau
und schließlich die Kurve C4 die Kurve für einen
TNO 10 jähriges Kind. Die Kraftbegrenzungseinrichtung
stellt sich erkennbar auf den Insassen ein, so dass der 95% Mann
in der Kurve C1 eine deutlich höhere Kraftbegrenzung als
die 5% Frau (Kurve C3) oder das 10 jährige Kind der Kurve
C4 erfährt. In der Kurve A3 ist die Kraftbegrenzungskurve
für einen HIII Dummy, eine 5% Frau, bei einer Aufprallgeschwindigkeit
von 50 km/h und in der Kurve A2 die Kurve für einen HIII
Dummy, ein 50% Mann, bei einer Aufprallgeschwindigkeit von 50 km/h
dargestellt. Wiederum ist klar erkennbar, dass der 50% Mann die
deutlich höhere Kraftbegrenzung erfährt als die
5% Frau. Die Kurve A1 zeigt den Kraftbegrenzungsverlauf für
einen HIII Dummy 95% Mann und die Kurve A4 den Kraftbegrenzungsverlauf
bei einer Aufprallgeschwindigkeit von 56 km/h mit derselben Aussage.
Das Kraftbegrenzungsniveau der erfindungsgemäßen
Kraftbegrenzungseinrichtung ist damit insassenadaptiv.
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Im
Vergleich der Kurven C1 bis C4 zu den Kurven A1 bis A4 ist erkennbar,
dass auch die Aufprallgeschwindigkeit einen deutlichen Einfluss
auf die Kraftbegrenzungscharakteristik besitzt, wie z. B. an den
Kurven A3 und C3 zu erkennen ist, die sich nur durch die Aufprallgeschwindigkeiten
von 32 km/h und 50 km/h unterscheiden. Das Kraftbegrenzungsniveau
der erfindungsgemäßen Kraftbegrenzungseinrichtung
ist damit crashadaptiv.
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Ferner
ist in der Kurve B1 der Kraftbegrenzungsverlauf eines HIII Dummys
50% Mann und in der Kurve B2 der Kraftbegrenzungsverlauf eines HIII Dummys
einer 5% Frau bei jeweils einer Aufprallgeschwindigkeit von 50 km/h
zu erkennen, wobei hier die Kraftbegrenzungseinrichtung 36 Zähne
aufweist. Die Kurven A2 und B1 stellen damit die Kraftbegrenzungskurven
für identische Dummys bei identischer Aufprallgeschwindigkeit
bei Verwendung von Kraftbegrenzungseinrichtungen mit unterschiedlich
vielen Zähnen dar. Die Kurve B1 der Kraftbegrenzungseinrichtung
mit 36 Zähnen liegt deutlich unterhalb der Kurve A2 der
Kraftbegrenzungseinrichtung mit 42 Zähnen. Dies ist damit
zu erklären, dass durch die Zähneanzahl die Dämpfung
der Kraftbegrenzungseinrichtung und damit das Niveau der Kraftbegrenzung
entscheidend mitbestimmt wird. Je mehr Zähne die Kraftbegrenzungseinrichtung
aufweist, desto höher liegt das Kraftbegrenzungsniveau.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - WO 2006/108451
A1 [0004, 0007]