DE102010050189B4

DE102010050189B4 - Kraftbegrenzungseinrichtung für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102010050189B4
Application number: DE201010050189
Authority: DE
Inventors: Ronald Jabusch; Klaus-Peter Singer
Original assignee: Autoliv Development AB
Current assignee: Autoliv Development AB
Priority date: 2010-11-04
Filing date: 2010-11-04
Publication date: 2014-03-06
Anticipated expiration: 2030-11-05
Also published as: DE102010050189A1; WO2012059166A1

Abstract

Kraftbegrenzungseinrichtung für ein Kraftfahrzeug mit einem zu einer Schwingbewegung antreibbaren Schwingteil (2), welches an ein eine kraftbegrenzte Bewegung ausführendes Teil des Kraftfahrzeuges angekoppelt oder ankoppelbar ist, wobei an dem Schwingteil (2) eine erste und eine zweite Verzahnung (5, 6) vorgesehen sind, mit welchen das Schwingteil (2) während der Schwingbewegung wechselweise in Eingriff und außer Eingriff mit einer oder zwei kraftfahrzeugfesten Eingriffsverzahnungen (7, 8) gelangt, wobei die erste und die zweite Verzahnung (5, 6) an dem Schwingteil (2) einen unterschiedlichen Zahnabstand aufweisen, und das Schwingteil (2) mittels einer Feder (4) in eine Eingriffsstellung federbelastet ist, in der das Schwingteil (2) mit der Verzahnung (5, 6) mit dem geringeren Zahnabstand in eine der Eingriffsverzahnungen (7, 8) eingreift.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kraftbegrenzungseinrichtung für ein Kraftfahrzeug.
Aus der WO 2006/108451 A1 ist bereits eine gattungsgemäße Kraftbegrenzungseinrichtung bekannt, welche eine Anordnung von federvorgespannten schwingenden Massen umfasst. Die schwingenden Massen greifen während der Schwingbewegung wechselweise mit verschiedenen Zähnen in eine Gegenverzahnung eines eine kraftbegrenzte Vorschubbewegung ausführenden Teiles ein, wobei die Vorschubbwegung durch die Schwingbewegung der Massen gesteuert wird. Durch die Federvorspannung kann die Frequenz der schwingenden Massen und damit die Vorschubbewegung und letztlich das Kraftbegrenzungsniveau der Kraftbegrenzungseinrichtung verändert werden.
Aus der DE 10 2008 049 931 A1 ist eine Weiterentwicklung der Kraftbegrenzungseinrichtung bekannt, bei der eine beidseitig verzahnte schwingende Masse vorgesehen ist, welche eine wellenförmige Vorschubbewegung ausführt. Die schwingende Masse gelangt dabei wechselweise mit gegenüberliegenden feststehenden Verzahnungen in und außer Eingriff.
Die Dämpfungskonstanten und das davon abhängige Kraftbegrenzungsniveau werden dabei von der Geometrie der Verzahnungen, der Masse der schwingenden Massen und durch die Federvorspannung der Massen bestimmt, sofern eine solche vorgesehen ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Kraftbegrenzungseinrichtung der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass mit konstruktiv möglichst einfachen Mitteln eine Kraftbegrenzungscharakteristik mit einem von einem hohen Kraftbegrenzungsniveau auf ein niedrigeres Kraftbegrenzungsniveau wechselnden Verlauf eingestellt werden kann.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Kraftbegrenzungseinrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Weiterentwicklungen sind den Unteransprüchen, den Figuren und der zugehörigen Beschreibung zu entnehmen.
Gemäß Anspruch 1 wird zur Lösung der Aufgabe eine Kraftbegrenzungseinrichtung für ein Kraftfahrzeug mit einem zu einer Schwingbewegung antreibbaren Schwingteil, welches an ein eine kraftbegrenzte Bewegung ausführendem Teil des Kraftfahrzeuges angekoppelt oder ankoppelbar ist, wobei an dem Schwingteil eine erste und eine zweite Verzahnung vorgesehen sind, mit der das Schwingteil während der Schwingbewegung wechselweise in Eingriff und außer Eingriff mit einer oder zwei kraftfahrzeugfesten Eingriffsverzahnungen gelangt, wobei die ersten und die zweiten Verzahnungen an dem Schwingteil einen unterschiedlichen Zahnabstand aufweisen, und das Schwingteil mittels einer Feder in eine Eingriffsstellung federbelastet ist, in der das Schwingteil mit der Verzahnung mit dem geringeren Zahnabstand in eine der Eingriffsverzahnungen eingreift, vorgeschlagen.
Der Grundgedanke der Erfindung ist darin zu sehen, dass durch die Verzahnungen mit den unterschiedlichen Zahnabständen, je nachdem welche Verzahnungen ineinandergreifen, ein unterschiedliches Schwingverhalten und damit eine unterschiedliche Dämpfungscharakteristik ermöglicht wird. Da das Teil mittels der Feder in die Eingriffsstellung der Verzahnungen mit dem geringeren Zahnabstand gedrängt wird, ergibt sich bei einer geringen Relativbewegung zunächst eine hohe Schwingfrequenz, d. h. eine hohe Dämpfungsrate. Erst bei einem Überschreiten einer durch die Auslegung des Systems definierten höheren Relativbewegung bleibt die Feder aufgrund ihrer eigenen Trägheit zurück, so dass die Feder das Teil nicht mehr in die Eingriffsstellung drängt, in der die Verzahnungen mit den geringeren Zahnabständen ineinandergreifen. Ab diesem Zeitpunkt ist die Schwingbewegung des Teils durch die Zahnabstände der Verzahnung mit den größeren Zahnabständen definiert, so dass die Anzahl der Schwingungen pro zurückgelegter Wegstrecke und die dadurch bedingte Dämpfungsrate sinkt. Zur Auslegung des Systems und der Dämpfungscharakteristik stehen verschiedene Parameter, wie z. B. der Zahnabstand der Verzahnungen, die Masse der Feder, die Masse der Schwingscheibe und die von der Feder ausgeübte Federkraft zur Verfügung.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
1: Erfindungsgemäße Kraftbegrenzungseinrichtung zur Ankopplung an einen Gurtaufroller;
2–4: Verschiedene Stellungen der im Einriff befindlichen Verzahnungen;
5: Verschiedene durch die erfindungsgemäße Kraftbegrenzungseinrichtung ermöglichte Kraftbegrenzungsverläufe.
In der 1 ist eine erfindungsgemäße Kraftbegrenzungseinrichtung zu erkennen, welche ein Schwingteil 2 in Form einer ringförmigen Scheibe aufweist, in der radial innenseitig ein Antriebsteil 9 vorgesehen ist. Das Antriebsteil 9 greift mit mehreren Zähnen 12 formschlüssig in entsprechende Ausnehmungen des Schwingteils 2 ein und ist über eine profilierte Bohrung 10 drehfest mit einem nicht dargestellten Teil eines Gurtaufrollers koppelbar, gegenüber dem eine ebenfalls nicht dargestellte Gurtwelle bei einer Ansteuerung einer Blockiereinrichtung blockiert wird. Steigt die Gurtauszugskraft bei blockierter Gurtwelle an, so wird das Schwingteil 2, wie nachfolgend noch beschrieben, über das Antriebsteil 9 zu einer Schwingbewegung angetrieben, welche dann eine kraftbegrenzte Gurtbandauszugsbewegung eines auf der Gurtwelle aufgewickelten Sicherheitsgurtes ermöglicht. Der Anschluss der erfindungsgemäßen Kraftbegrenzungseinrichtung an die Gurtwelle kann identisch zu der aus der DE 10 2008 049 931 A1 ausgebildet sein, welche damit ausdrücklich zu dem Offenbarungsgehalt dieser Anmeldung hinzuzurechnen ist. Alternativ kann das Antriebsteil 9 auch mit einer Innenverzahnung versehen sein, in die eine an der Gurtwelle gelagerte Blockierklinke bei einer Ansteuerung der Blockiereinrichtung einsteuert, wie dies z. B. aus der DE 10 2009 010 435 A1 bekannt ist. Auch diese Schrift ist damit zu dem Offenbarungsgehalt dieser Anmeldung ausdrücklich hinzuzurechnen.
Alternativ kann statt einer Gurtwelle auch jedes andere Teil des Kraftfahrzeuges an die Schwingscheibe 2 bzw. an das Antriebsteil 9 angekoppelt werden, welches eine kraftbegrenzte Relativbewegung zu dem Kraftfahrzeug ausführen soll. Dabei ist die Relativbewegung nicht auf eine Drehbewegung begrenzt, sie kann auch durch eine lineare Verschiebebewegung gebildet sein, wie dies z. B. in den 1a bis 1d der DE 10 2008 049 931 A1 gezeigt ist.
Die Schwingscheibe 2 ist zwischen zwei fahrzeugfesten Ringscheiben 1 und 3 angeordnet und über eine sich an der Ringscheibe 1 abstützende Feder 4 in Form eines wellenförmigen Ringes in Richtung der Ringscheibe 3 federbelastet. Zur Fixierung der Feder 4 ist an der Ringscheibe 1 eine Formgestaltung 11 in Form einer Vertiefung mit einem Außendurchmesser, der ungefähr dem Außendurchmesser der Feder 4 entspricht, vorgesehen.
Das Schwingteil 2 ist an einer Seite mit einer ersten Verzahnung 5 und an der anderen Seite mit einer zweiten Verzahnung 6 versehen. Sowohl die erste als auch die zweite Verzahnung 5 und 6 sind mit radial gerichteten Zähnen als Ringverzahnungen ausgebildet. An den Ringscheiben 1 und 3 sind ringförmige Eingriffsverzahnungen 7 und 8 vorgesehen, welche im zusammengebauten Zustand der Kraftbegrenzungseinrichtung gegenüberliegend zu der ersten und der zweiten Verzahnung 5 und 6 angeordnet sind und in der Form der Zähne und der flächenmäßigen Erstreckung identisch zu den gegenüberliegenden Verzahnungen 5 und 6 ausgebildet sind. Die erste Verzahnung 5 an dem Schwingteil 2 weist einen erfindungsgemäß geringeren Zahnabstand auf als die zweite Verzahnung 6. Gleiches gilt dementsprechend auch für die Eingriffsverzahnungen 7 und 8.
Durch die Feder 4 wird das Schwingteil 2 in Richtung der Ringscheibe 3 gedrängt, so dass sich die erste Verzahnung 5 und die Eingriffsverzahnung 7 mit den geringeren Zahnabständen zu Beginn der Aktivierung der Kraftbegrenzungseinrichtung im Eingriff befinden.
Der Bewegungsablauf während der Schwingbewegung ist in den 2 bis 4 näher dargestellt. In der 2 beginnt der Bewegungsablauf gerade und das Schwingteil 2 beginnt durch den Antrieb über das Antriebsteil 9 eine Bewegung in Pfeilrichtung A auszuführen, welche durch das aneinander Abgleiten der Zähne der ersten Verzahnung 5 und der Eingriffsverzahnung 7 mit einer quergerichteten Bewegung in Pfeilrichtung B überlagert wird. Während der quergerichteten Bewegung in Pfeilrichtung B wird die Feder 4 zumindest lokal komprimiert. Nachdem die Zähne der ersten Verzahnung 5 die Spitzen der Zähne der Eingriffsverzahnung 7 überwunden haben, ändert sich die Richtung der quergerichteten Bewegung aufgrund der durch die Feder 4 ausgeübten Kraft in Pfeilrichtung C. Das Schwingteil 2 wird dann weiter so weit in Pfeilrichtung A bewegt, bis die Zähne der ersten Verzahnung 5 wieder an den Zahnflanken der Eingriffsverzahnung 7 zur Anlage gelangen, wodurch der Bewegung des Schwingteils 2 anschließend wieder die quergerichtete Bewegung in Pfeilrichtung B überlagert wird. Das Schwingteil 2 führt damit eine Drehbewegung mit einer sich periodisch ändernden quergerichteten Querbewegung in die Pfeilrichtungen B und C aus, welche durch das sich ständig abwechselnde Stoppen und Beschleunigen des Schwingteils 2 die erfindungsgemäß bezweckte Dämpfung verursacht. Die Dämpfungsrate hängt dabei von dem Zahnabstand und der Zahnhöhe der ersten Verzahnung 5 und der Eingriffsverzahnung 7 und der während der Bewegung zu überwindenden Federkraft der Feder 4 ab. Bei einer langsamen Auszugsgeschwindigkeit zu Beginn der Aktivierung der Kraftbegrenzungseinrichtung ergibt sich aufgrund des geringen Zahnabstandes der Verzahnung 5 und der Eingriffsverzahnung 7 eine hohe Dämpfungsrate und ein hohes Kraftbegrenzungsniveau.
Bei einer Erhöhung der Auszugsgeschwindigkeit des Sicherheitsgurtes und damit einer schnelleren Bewegung des Schwingteils 2 in Pfeilrichtung A kann die Feder 4 aufgrund ihrer eigenen Trägheit und der Trägheit des Schwingteils 2 die zur Änderung der Querbewegung in Pfeilrichtung C erforderliche Rückstellbewegung ab einer bestimmten Geschwindigkeit nicht mehr ausführen, so dass das Schwingteil 2 nunmehr die Schwingbewegung unter aneinander Abgleiten der zweiten Verzahnung 6 und der Eingriffsverzahnung 8 fortführt. Da der Zahnabstand der zweiten Verzahnung 6 erfindungsgemäß größer als der Zahnabstand der ersten Verzahnung 5 gewählt ist, sinkt die Schwingfrequenz des Schwingteils 2 und die damit verbundene Dämpfungsrate. Die erste Verzahnung 5 gelangt in dieser Phase der Schwingbewegung nur für einen kurzen Moment mit der Eingriffsverzahnung 7 in Eingriff, wenn die Zähne der zweiten Verzahnung 6 die Zähne der Eingriffsverzahnung 8 überwinden. Dazu sind die Zähne der zweiten Verzahnung 6 derart ausgerichtet, dass deren Spitzen 6.1 in einem Bereich D in Bewegungsrichtung des Schwingteils 2 zwischen zwei aufeinanderfolgenden Spitzen 5.1 und 5.2 der ersten Verzahnung 5, vorzugsweise in der Mitte des Bereichs D, angeordnet sind.
Damit die Zähne 5.1 und 6.1, 6.2 der ersten und der zweiten Verzahnung 5 und 6 während dieser Bewegung nicht kollidieren, ist der Zahnabstand der zweiten Verzahnung 6 als geradzahliges Vielfaches von dem Zahnabstand der ersten Verzahnung 5 gewählt, so dass die Abfolge der Zähne 5.1, 6.1, 6.2 über den Umfang gleichbleibend ist.
In der 5 sind verschiedene mit derselben Kraftbegrenzungseinrichtung erzielbare Kraftbegrenzungskennlinien für verschiedene Insassentypen über der Zeit zu erkennen. Bei der mit I gekennzeichneten Kennlinie handelt es sich um eine Kraftbegrenzungskurve, welche sich bei sehr kleinen Relativgeschwindigkeiten für einen Insassen mit einem geringen Körpergewicht ergeben würde. Die durch die Kraftbegrenzungseinrichtung vernichtete Energie ist dabei so gering, dass das Schwingteil 2 während der gesamten Kraftbegrenzungsphase mit der ersten Verzahnung 5 an der Eingriffsverzahnung 7 abgleitet, ohne dass die Relativgeschwindigkeit dabei ein Maß überschreitet, durch die das Umschalten auf ein Abgleiten der zweiten Verzahnung 6 an der Eingriffsverzahnung 8 bewirkt werden würde.
Bei der mit II gekennzeichneten Kennlinie handelt es sich um eine Kraftbegrenzungskurve, wie sie sich für einen schwereren Insassen mit derselben Kraftbegrenzungseinrichtung bei einem identischen Unfall ergeben würde. Die Kraftbegrenzungseinrichtung arbeitet zunächst mit einer höheren Energieaufnahme in einem Bereich IIa bis die Relativgeschwindigkeit so groß ist, dass die Trägheit der Feder 4 verhindert, dass die Feder 4 die erforderliche Rückstellkraft ausübt, und die Schwingbewegung im weiteren Verlauf durch das Abgleiten der zweiten Verzahnung 6 an der Eingriffsverzahnung 8 definiert ist. Ab diesem Umschalten arbeitet die Kraftbegrenzungseinrichtung auf einem mit IIb gekennzeichneten Kraftbegrenzungsniveau.
In gleicher Weise schaltet die Kraftbegrenzungseinrichtung bei einem noch schwereren Insassen gemäß dem Kraftbegrenzungsverlauf III von dem Niveau IIIa auf das niedrigere Niveau IIIb um.
Der Zusammenhang zwischen der Schwingung des Schwingteils 2 und des sich automatisch auf den Insassentyp und den Crash einstellenden Kraftbegrenzungsniveaus ist in der WO 2006/108451 A1 im Detail beschrieben, so dass auf diese ausdrücklich verwiesen wird.

Claims

Kraftbegrenzungseinrichtung für ein Kraftfahrzeug mit einem zu einer Schwingbewegung antreibbaren Schwingteil (2), welches an ein eine kraftbegrenzte Bewegung ausführendes Teil des Kraftfahrzeuges angekoppelt oder ankoppelbar ist, wobei an dem Schwingteil (2) eine erste und eine zweite Verzahnung (5, 6) vorgesehen sind, mit welchen das Schwingteil (2) während der Schwingbewegung wechselweise in Eingriff und außer Eingriff mit einer oder zwei kraftfahrzeugfesten Eingriffsverzahnungen (7, 8) gelangt, wobei die erste und die zweite Verzahnung (5, 6) an dem Schwingteil (2) einen unterschiedlichen Zahnabstand aufweisen, und das Schwingteil (2) mittels einer Feder (4) in eine Eingriffsstellung federbelastet ist, in der das Schwingteil (2) mit der Verzahnung (5, 6) mit dem geringeren Zahnabstand in eine der Eingriffsverzahnungen (7, 8) eingreift.
Kraftbegrenzungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schwingteil (2) als drehbar antreibbare Scheibe ausgebildet ist, an der die erste und die zweite Verzahnung (5, 6) in Form von axial gerichteten Ringverzahnungen vorgesehen sind, und die Feder (4) durch einen an mehreren Stellen der Scheibe axial anliegenden wellenförmigen Ring gebildet ist.
Kraftbegrenzungseinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Verzahnung (5, 6) jeweils einen zu dem Zahnabstand der Eingriffsverzahnungen (7, 8), mit der sie in Eingriff gelangen, identischen Zahnabstand aufweisen.
Kraftbegrenzungseinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Feder (4) an einem feststehenden Teil des Kraftfahrzeuges abstützt, dem wenigstens eine der Eingriffsverzahnungen (7, 8) zugeordnet ist.
Kraftbegrenzungseinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass an dem feststehenden Teil eine die Feder (4) fixierende Formgestaltung (11) vorgesehen ist.
Kraftbegrenzungseinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zahnabstand einer der Verzahnungen (5, 6) ein geradzahliges Vielfaches von dem Zahnabstand der jeweils anderen Verzahnung (5, 6) ist.
Kraftbegrenzungseinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Zähne (6.1) der Verzahnung (6) mit dem größeren Zahnabstand derart angeordnet sind, dass deren Spitzen in einem in Bewegungsrichtung des Schwingteils (2) zwischen zwei Spitzen der Zähne (5.1, 5.2) der Verzahnung (5) mit dem kleineren Zahnabstand vorgesehenen Bereich (D) angeordnet sind.
Kraftbegrenzungseinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zähne (6.1) der Verzahnung (6) mit dem großen Zahnabstand derart angeordnet sind, dass deren Spitzen mittig in dem Bereich zwischen den Spitzen der Zähne (5.1, 5.2) der Verzahnung (5) mit dem geringeren Zahnabstand angeordnet sind.
Kraftbegrenzungseinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl und/oder die Form und/oder die Höhe der Zähne (6.1, 5.1, 5.2) der ersten und/oder zweiten Verzahnung (5, 6) und/oder der Eingriffsverzahnungen (7, 8) so gewählt ist, dass die Bewegung des Schwingteils (2) nach einer vorbestimmten Anzahl von Schwingungen durch eine Selbsthemmung gestoppt wird.
Kraftbegrenzungseinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schwingteil (2) an eine Gurtwelle eines Gurtaufrollers gekoppelt oder an diese ankoppelbar ist.