DE102010001353A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Kraftbegrenzung in einem Verstellsystem - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zur Kraftbegrenzung in einem Verstellsystem Download PDF

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Abstract

Es wird eine Vorrichtung zur Kraftbegrenzung in einem Verstellsystem vorgeschlagen, mit einem rotierbaren Antriebselement und zwei mit dem Antriebselement durch Verzahnungseingriffe in Kontakt stehende Übertragungselemente zum Übertragen von Axialkräften. Die Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass bei Überschreiten einer definierten Kraftschwelle auf die Übertragungselemente die Verzahnungseingriffe lösbar sind.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Kraftbegrenzung in einem Verstellsystem.
  • Stand der Technik
  • Technische Verstellsysteme wie beispielsweise ein elektrisches Schiebedach eines Kraftfahrzeugs werden üblicherweise mittels einer Verstelleinrichtung linear verstellt. Zu diesem Zweck ist ein motorischer Antrieb (Elektromotor) in der Regel nicht in unmittelbarer Nähe von einem zu verstellenden, anzutreibenden System angeordnet. Eine von mehreren Möglichkeiten besteht in einer Verwendung einer oder mehrerer Steigwendeln als kraftübertragendem Mittel zwischen dem Elektromotor und dem elektrischen Schiebedach. Die Steigwendeln werden von einem Ritzel des Elektromotors angetrieben, sie laufen dabei in einer Führung und können Verstellkräfte in beiden Laufrichtungen an das ferne System weiterleiten.
  • Als nachteilig bei derartigen herkömmlichen Systemen hat sich herausgestellt, dass im Falle eines Unfalls des Kraftfahrzeugs und der damit verbundenen Materialdeformierungen aufgrund von systembedingten Starrheiten des Verstellsystems Kräfte unkontrolliert wirken können. Diese können zu Materialbrüchen aufgrund unterbrochener Kraftflüsse führen, die Fahrzeuginsassen verletzen können.
  • Es ist die daher die Aufgabe der Erfindung einen verbesserten Aktuator für ein Verstellsystem bereitzustellen.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist zu einer Kraftbegrenzung in einem Verstellsystem vorgesehen und umfasst:
    ein rotierbares Antriebselement und wenigstens ein mit dem Antriebselement durch Verzahnungseingriffe in Kontakt stehendes Übertragungselement zum Übertragen von Axialkräften, wobei bei Überschreiten einer definierten Kraftschwelle auf die Übertragungs-elemente die Verzahnungseingriffe lösbar sind.
  • Dies wird dadurch erreicht, dass Mittel vorgesehen sind, die eine Andruckkraft auf das Übertragungselement in Richtung auf das Antriebselement aufbringen. Dadurch lassen sich unterschiedliche, vordefinierte Kraftschwellen einstellen, die als Auslöse-schwellen für das Wirksamwerden des Kraftbegrenzungsmechanismus der erfindungsgemäßen Vorrichtung dienen.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung bietet den Vorteil, dass im Vergleich zu herkömmlichen Verstellsystemen ein Kraftbegrenzungsmechanismus wirkt, durch den ein Kraftfluss im System zu keiner Zeit unterbrochen ist. Die Kraftbegrenzung ist nicht zerstörend, wodurch Teile des Verstellsystems nicht brechen oder sich plastisch verformen können.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass die Andruckkraft mittels gekrümmter Übertragungselemente, die gegen das Antriebselement drücken, aufgebracht wird. Auf diese Weise ist die erfindungsgemäße Kraftbegrenzung im Verstellsystem vorteilhaft ohne zusätzliche separate Kraftübertragungselemente erreichbar.
  • Eine weitere bevorzugte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass die Andruckkraft mittels elastischer Elemente aufgebracht werden kann. Dadurch lassen sich mit unterschiedlichen technischen Mitteln unterschiedliche Kraftschwellen für die erfindungsgemäße Vorrichtung einstellen. Eine Diversifizierung von Dimensionierungselementen für die erfindungsgemäße Kraftbegrenzung ist dadurch vorteilhaft unterstützt.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die elastischen Elemente als Federn oder als Gummielemente ausgebildet sind. Dadurch können je nach Bauart des Verstellsystems unterschiedliche elastische Elemente zum Aufbringen der Andruckkraft gewählt werden.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass zwischen jeweils einem der elastischen Elemente und einem der Übertragungselemente ein Distanzelement angeordnet ist. Dadurch wird vorteilhaft eine reibungs- und/oder geräuscharme relative Bewegung zwischen Übertragungselement und Antriebsmotor erreicht. Außerdem wird durch das Distanzelement die von den elastischen Elementen auf die Übertragungselemente aufgebrachte Andruckkraft vergleichmäßigt.
  • Eine weitere bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass die von den beiden Übertragungs-elementen auf das Antriebselement aufgebrachten Andruckkräfte unterschiedlich groß sind. Dadurch kann ein Kraftbegrenzungsverhalten für beide Übertragungselemente in vorteilhafter Weise unterschiedlich ausgestaltet werden.
  • Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Antriebselement als Ritzel eines Antriebsmotors und die Übertragungselemente als Steigwendeln ausgebildet sind, wobei die Steigwendeln auf radial gegenüberliegenden Seiten des Ritzels und im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind, und wobei Steigungen der Steigwendeln und des Ritzels im Wesentlichen übereinstimmen. Dadurch ist ein Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung in herkömmlichen Verstellsystemen mit geringstmöglichen Adaptierungen möglich.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Figuren kurz beschrieben. Dabei zeigt:
  • 1 eine Draufsicht auf ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
  • 2 eine perspektivische Ansicht einer Anordnung aus Antriebselement und zwei Übertragungselementen, und
  • 3 eine Anordnung aus einem Antriebselement mit zwei Übertragungselementen mit einem darin wirkenden Kraftdiagramm.
  • Ausführungsform(en) der Erfindung
  • 1 zeigt in einer prinzipiellen Darstellung eine Draufsicht auf ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Eine Antriebseinrichtung 10 weist ein rotierbares Antriebselement 20 zum Antreiben von zwei Übertragungselementen 30 auf. Das Antriebselement 20 ist vorzugsweise als Ritzel eines selbsthemmenden elektrischen Getriebemotors (nicht dargestellt) ausgebildet. Wenn der Getriebemotor mit elektrischer Spannung versorgt wird, wird das Antriebselement 20 in entsprechende Drehung versetzt und die beiden Übertragungselemente 30 bewegen sich in jeweils gegenläufige Richtungen. Das Antriebselement 20 kann somit durch seine Drehbewegung über die beiden Übertragungselemente 30 Axialkräfte in unterschiedliche Richtungen an ein zu verstellendes Element eines Verstellsystems (beispielsweise ein elektrisches Schiebedach, nicht dargestellt) weiterleiten. Wenn der Motor nicht mit elektrischer Spannung versorgt wird, ist es selbst bei Einleitung sehr hoher Kräfte auf die Übertragungselemente 30 aufgrund der Selbsthemmung des Motors nicht möglich, diesen in Bewegung zu setzen. Die Übertragungselemente 30 sind vorzugsweise als Steigwendeln ausgebildet, die mit dem Antriebselement 20 in einem Verzahnungseingriff stehen, wobei Steigungen der Übertragungselemente 30 und des Antriebselements 20 im Wesentlichen übereinstimmen. Beide Übertragungselemente 30 sind vorzugsweise im Wesentlichen parallel und radial gegenüberliegend am Antriebselement 20 angeordnet.
  • Jedes der Übertragungselemente 30 wird mittels elastischer Elemente 40 radial gegen das Antriebselement 20 gedrückt. Zwischen den elastischen Elementen 40 und jedem der Übertragungselemente 30 ist vorzugsweise ein Distanzelement 50 angeordnet, mit dessen Hilfe eine reibungs- und/oder geräuscharme relative Bewegung zwischen den Übertragungselementen 30 und dem Antriebselement 20 ermöglicht wird. Das Distanzelement 50 kann beispielsweise als Klemm-platte ausgebildet sein. Die elastischen Elemente 40 sind vorzugsweise derart ausgelegt, dass sie genügend nachgeben, um den Verzahnungseingriff zwischen den Übertragungselementen 30 und dem Antriebselement 20 zu lösen, wenn eine definierte Kraftschwelle auf die Übertragungselemente 30 überschritten wird. Unterhalb dieser Kraftschwelle ist der Verzahnungseingriff intakt und das Übertragungselement 30 kann sich nicht bewegen, da der Getriebemotor selbsthemmend ist. Dieser Wirkmechanismus wird anhand von 3 näher erläutert.
  • 2 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Anordnung bestehend aus dem Antriebselement 20 und den zwei Übertragungselementen 30. Aus der Figur wird der im normalen Betriebsfall der Antriebseinrichtung 10 bestehende Verzahnungseingriff zwischen dem Antriebselement 20 und den beiden Übertragungselementen 30 noch besser verdeutlicht.
  • 3 zeigt ein prinzipielles Kraftdiagramm mit Kräften, die in einer Anordnung aus einem Antriebselement 20 und zwei Übertragungselementen 30 wirken. Eine axial in x-Richtung auf das Übertragungselement 30 wirkende Kraft Fx erzeugt eine vom Antriebselement 20 weggerichtete radiale Kraft Fy, die abhängig ist von einem Steigungswinkel an einer Schnittstelle zwischen dem Übertragungselement 30 und dem Antriebselement 20. Die Kraft Fx stammt im normalen Betriebsfall aus einer Drehung des Übertragungselements 20, die durch ein Antreiben mittels Motor mit dem Antriebsmoment MAntrieb verursacht wird, wobei die Drehung durch den Verzahnungseingriff zwischen dem Antriebselement 20 und dem Übertragungselement 30 als Axialkraft an das Übertragungselement 30 weitergegeben wird.
  • Die Kraft Fx auf das Übertragungselement 30 kann aber auch aus externen Kräften, resultierend aus Materialdeformierungen, wie sie beispielsweise in Unfallsituationen entstehen, stammen. In diesem Fall wirkt die Kraft Fx vom fernen, zu verstellenden System oder in einer anderen Weise auf die Übertragungselemente 30 eingeleitet in Richtung auf die Antriebseinrichtung 10 mit dem Getriebemotor. Da das Antriebselement 20 aufgrund der Selbsthemmung des Motors fest ist, kann sich das Übertragungselement 30 nur dann gegen eine auf das Antriebselement 20 radial hingerichtete Federkraft FFeder des elastischen Elements 40 radial vom Antriebselement 20 wegbewegen, wenn die Kraft Fy die Federkraft FFeder übersteigt. Die Lösung des Verzahnungseingriffs zwischen dem Übertragungselement 30 und dem Antriebselement 20 ist das Ergebnis dieses Wegbewegens.
  • Die elastischen Eigenschaften der elastischen Elemente 40 (beispielsweise die Federkonstanten) bestimmen also mit der Kraft FFeder diejenigen Kraftverhältnisse, bei denen der Verzahnungseingriff zwischen dem Übertragungselement 30 und dem Antriebselement 20 beseitigt und eine axiale Bewegung des Übertragungselements 30 am stehenden Antriebselement 20 vorbei ermöglicht ist. Falls die beiden Übertragungselemente 30 mit unterschiedlich großen Axialkräften belastet werden, erlaubt das System eine Bewegung desjenigen Übertragungselements 30, welches oberhalb der festgelegten Kraftschwelle belastet wird. Das andere Übertragungselement 30, das unterhalb der definierten Kraftschwelle belastet wird, reagiert davon völlig unabhängig und bleibt in seiner festen Position relativ zum Antriebselement 20. Sobald die Kraft bei schwankenden Kraftintensitäten wieder unterhalb der vordefinierten Kraftschwelle liegt, ist keine Relativbewegung zwischen dem Antriebselement 20 und dem Übertragungselement 30 mehr möglich, weil die Selbsthemmung des Elektromotors eine Bewegung des Übertragungselements 30 verhindert. Aus 3 wird also deutlich, dass für den Fall, dass die Kraft Fy die Federkraft FFeder übersteigt, der Verzahnungseingriff zwischen dem Übertragungselement 30 und dem Antriebselement 20 gelöst wird. Durch das Bewegen des Übertragungselements 30 am stehenden Antriebselement 20 vorbei kann also überschüssige Energie im System abgebaut werden.
  • Mitentscheidend, ob bzw. welches der Übertragungselemente 30 aus dem Verzahnungseingriff mit dem Antriebselement 20 gelöst wird, ist aufgrund der geometrischen Winkelverhältnisse zwischen Antriebselement 20 und Übertragungselement 30 auch eine Richtung der auf das Übertragungselement 30 wirkenden Axialkraft. Obwohl in 3 nur Kraftverhältnisse für das obere Übertragungselement 30 dargestellt ist, ist es selbstverständlich, dass diese in analoger Weise ebenso für das untere Übertragungselement 30 gelten.
  • Für die Kraftaufbringung auf die Übertragungselemente 30 können unterschiedliche elastische Elemente 40 verwendet werden, um auf diese Weise unterschiedliche Kraftbegrenzungs-eigenschaften des Verstellsystems mit unterschiedlichen Kraftschwellen zu erreichen. Denkbar sind beispielsweise Elemente aus Gummi oder alternativ aus sonstigen Materialien gefertigte Elemente mit günstigen elastischen Eigenschaften.
  • Eine Abwandlung der Erfindung ist sogar gänzlich ohne separate elastische Elemente 40 realisierbar. In diesem Fall wird das Übertragungselement 30 selbst als kraftübertragendes, elastisches Element benutzt, indem es gebogen bzw. verformt und dadurch einen bestimmten Krümmungsradius aufweist. Das derart geformte Übertragungselement 30 stützt sich in diesem Fall mit einer Stützkraft, die abhängig ist vom Biegeradius des Übertragungselements 30, gegen das Antriebselement 20. Durch geeignete Auswahl des Krümmungsradius kann so auf einfache Weise die gewünschte Kraftschwelle für die Kraftbegrenzung der erfindungsgemäßen Vorrichtung erreicht werden.
  • Erfindungsgemäß wird eine sehr kompakte, flexible und kostengünstige Lösung für eine Axialkraftbegrenzung für Steigwendeln in einer Antriebseinrichtung für ein Verstellsystem vorgeschlagen. Auf einfache Weise kann für beide Steigwendeln eine einheitliche Kraftschwelle oder für jede der beiden Steigwendeln unterschiedliche Kraftschwellen dimensioniert werden. Die axial wirkenden Kräfte der beiden Steigwendeln können so unabhängig voneinander auf bestimmte, bei Bedarf unterschiedliche Werte begrenzt werden. Der Kraftbegrenzungsmechanismus ist vorteilhaft unabhängig davon, ob die verursachende Kraft vom Antriebsmotor, vom fernen zu verstellenden System oder sonstwie auf die Antriebseinrichtung 10 mit den Übertragungselementen 30 einwirkt. Vorteilhaft kann die erfindungsgemäße Vorrichtung auf diese Art und Weise als Sicherheitsaktuator für unterschiedliche Verstellsysteme verwendet werden, die hier offenbarte Anwendung für ein elektrisches Schiebedach ist somit lediglich als beispielhaft anzusehen.
  • Vorteilhaft kann mittels der Erfindung ein Insassenschutz im Kfz-Bereich dadurch gesteigert werden, dass im Falle eines Unfalls die unbeschädigten und freiliegenden Übertragungselemente 30 der erfindungsgemäßen Vorrichtung benutzt werden, um eine Lage von verunfallten Insassen innerhalb des Kfz zu stabilisieren. Auf diese Weise wird eine Notfall-Funktionalität der Übertragungselemente 30 erreicht, die im normalen Betriebsverhalten nicht vorgesehen ist. Ferner kann mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine Verletzungsgefahr von Insassen infolge durch Kraftspitzen gebrochener Materialteile vermieden werden. Die Erfindung kann auf diese Weise einen wichtigen Beitrag zur erhöhten Insassensicherheit im Kfz-Bereich leisten.
  • Im Lichte der obigen Erläuterungen versteht es sich von selbst, dass die Ausführung der Erfindung nicht auf das in den Figuren dargestellten Beispiel beschränkt ist, sondern ebenso in einer Vielzahl von Abwandlungen möglich ist, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.

Claims (11)

  1. Vorrichtung zur Kraftbegrenzung in einem Verstellsystem, umfassend: – ein rotierbares Antriebselement (20), und – wenigstens ein mit dem Antriebselement (20) durch Verzahnungseingriff in Kontakt stehendes Übertragungselement (30) zum Übertragen von Axialkräften, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorgesehen sind, die eine Andruckkraft auf die Übertragungselemente (30) in Richtung auf das Antriebselement (20) aufbringen, und dass bei Überschreiten einer definierten Kraftschwelle auf die Übertragungselemente (30) der Verzahnungseingriff lösbar ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Andruckkraft mittels gekrümmt ausgestalteter Übertragungselemente (30), die gegen das Antriebselement (20) drücken, aufgebracht werden kann.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Andruckkraft mittels elastischer Elemente (40) aufgebracht werden kann.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die elastischen Elemente (40) als Federn oder als Gummielemente ausgebildet sind.
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen jeweils einem der elastischen Elemente (40) und einem der Übertragungselemente (30) ein Distanzelement (50) angeordnet ist.
  6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die von den beiden Übertragungselementen (30) auf das Antriebselement (20) aufgebrachten Andruckkräfte unterschiedlich groß sind.
  7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebselement (20) als Ritzel eines Antriebsmotors und die Übertragungselemente (30) als Steigwendeln ausgebildet sind, wobei die Steigwendeln auf radial gegenüberliegenden Seiten des Ritzels und im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind, und wobei Steigungen der Steigwendeln und des Ritzels im Wesentlichen übereinstimmen.
  8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Stabilisierung von Insassen eines Fahrzeugs im Crashfall vorgesehen ist.
  9. Verfahren zur Kraftbegrenzung in einem Verstellsystem mit einem rotierbaren Antriebselement (20) und zwei Übertragungselementen (30) zum Übertragen von Axialkräften, wobei die Übertragungselemente (30) mit dem Antriebselement (20) durch Verzahnungseingriffe in Kontakt stehen, umfassend die Schritte: – Aufbringen einer Andruckkraft von den Übertragungselementen (30) auf das Antriebselement (20), und – Lösen der Verzahnungseingriffe für einen Fall, dass eine definierte Kraftschwelle auf die Übertragungselemente (30) überschritten wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die auf das Antriebselement (20) aufgebrachten Andruckkräfte unterschiedlich groß sind.
  11. Verstellsystem mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, in dem ein Verfahren nach Anspruch 9 oder 10 ausführbar ist.
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