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Die Erfindung betrifft einen pyrotechnischen Aktuator, insbesondere für eine Fahrzeugsicherheitsvorrichtung.
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Weiterhin betrifft die Erfindung einen Motorhaubenaufsteller und einen Gurtstraffer mit einem solchen pyrotechnischen Aktuator.
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Bei pyrotechnischen Aktuatoren, die als Linearantrieb ausgelegt sind, wird ein in einem Zylinderrohr geführter Kolben durch die Ausdehnung eines von einem Gasgenerator erzeugten Gases angetrieben. Der Kolben ist also in dem Zylinderrohr verschiebbar und erreicht nach einer Verschiebung eine Endlage, wobei in manchen Fällen eine spätere Rückstellung des Kolbens gewünscht sein kann. Das zwischen dem Gasgenerator und dem Kolben eingeschlossene Gas muss dabei an die äußere Umgebung des Zylinderrohrs abgeführt werden. Hierfür sind verschiedene Entlüftungskonzepte bekannt.
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Eines dieser Konzepte, das beispielsweise aus der
DE 103 05 685 B4 bekannt ist, sieht radiale Entlüftungsbohrungen im Zylinderrohr vor. Bei dieser Lösung ist jedoch denkbar, dass schon vor Erreichen der Endlage des Kolbens Gas abströmen kann, was den Wirkungsgrad des Antriebs verringert. Falls eine Rückstellbarkeit des Kolbens von dessen erreichter Endlage in Richtung seiner Ausgangsposition gewünscht ist, kann bei dieser Lösung nachteiliger Weise beim Rückstellen des Kolbens das Gas nur solange entweichen, wie sich die Entlüftungsbohrungen zwischen dem (gegen die Zylinderrohrinnenwand abgedichteten) Kolben und dem gasgeneratorseitigen Ende des Zylinderrohrs befinden. Danach wird das das Gas komprimiert, ohne, dass eine Entlüftung stattfinden kann, was die notwendige Rückstellkraft stark erhöht. Darüber hinaus ist die Herstellung von kleinen Radialbohrungen für derartige Lösungen, insbesondere durch Stanzen oder Bohren, schwierig, noch dazu wenn bei einem Serienprodukt enge Toleranzen im Hinblick auf die Zuverlässigkeit und Reproduzierbarkeit einzuhalten sind. Hinzu kommt, dass derartige Radialbohrungen über die gesamte Lebensdauer des Aktuators gegen den Eintritt von Verunreinigungen und Feuchtigkeit, eventuell mit zusätzlichen Bauteilen (Dichtstöpsel, Verdämmung o. ä.), gesichert werden müssen. Diese Bauteile müssen dann bei einem vorbestimmten Öffnungsdruck die Entlüftungsbohrungen zuverlässig freigeben. In einer Serienfertigung erhöht insbesondere die Einhaltung der richtigen Orientierung der Entlüftungsbohrung(en) den Montageaufwand in nicht unerheblichem Maße.
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In der bereits genannten
DE 103 05 685 B4 wird auch vorgeschlagen, eine Entlüftung über Öffnungen innerhalb des Kolbenkörpers vorzusehen. Die Öffnungen sind Bohrungen, die den Kolben in axialer Richtung vollständig durchdringen. Neben der Schwierigkeit, solche Bohrungen innerhalb eines bestimmten Toleranzbereichs herzustellen, ist auch zu beachten, dass solche Bohrungen die Festigkeit des ohnehin stark beanspruchten Kolbens beeinträchtigen.Aufgabe der Erfindung ist es, einen pyrotechnischen Aktuator mit einer zuverlässigen und einfach herstellbaren Entlüftung zu schaffen. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, einen Motorhaubenaufsteller und einen Gurtstraffer mit einem solchen Aktuator bereitzustellen.
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Gelöst wird die Aufgabe bezüglich des pyrotechnischen Aktuators erfindungsgemäß durch einen pyrotechnischen Aktuator mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte und zweckmäßige Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen pyrotechnischen Aktuators sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Der erfindungsgemäße pyrotechnische Aktuator umfasst einen Gasgenerator, der einen Treibstoff aufweist, ein Zylinderrohr mit einer Längsachse, einen im Zylinderrohr angeordneten Kolben, eine im Zylinderrohr zwischen dem Gasgenerator und dem Kolben gebildete Druckkammer, die durch einen Abbrand des Treibstoffs mit Druck beaufschlagbar ist, um den Kolben in axialer Richtung zu verschieben, und eine Entlüftung, die ein Abströmen von Gas aus der Druckkammer ermöglicht, Gemäß der Erfindung weist die Entlüftung eine auf der Außenseite des Kolbens gebildete Entlüftungsnut auf.
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Die erfindungsgemäße Entlüftungsnut dient als Bypass für das nach der Aktivierung des pyrotechnischen Aktuators in der expandierten Druckkammer eingeschlossene Gas. Nach der Verlagerung des Kolbens kann das Gas nach und nach durch die Entlüftungsnut am Kolben vorbei aus der Druckkammer entweichen.
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Fertigungstechnisch hat die Erfindung den Vorteil, dass es einfacher ist, eine Nut in den Kolben einzubringen, als eine Entlüftungsbohrung in das Zylinderrohr zu stanzen oder zu prägen.
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Durch die konkrete Gestaltung der Entlüftungsnut kann das Abströmverhalten des Gases in gewünschter Weise eingestellt werden. Insbesondere kann die Entlüftungsnut so klein dimensioniert werden, dass während der Verlagerung des Kolbens infolge des in der Druckkammer durch den Abbrand des Treibstoffs erzeugten Drucks nur wenig Gas am Kolben vorbeiströmt. Die Effizienz des Antriebs ist somit nicht wesentlich beeinträchtigt. Auch nach der Verlagerung entweicht das Gas dann nur sehr langsam, sodass der Kolben zunächst durch das Gas in der Druckkamer in seiner Endlage gestützt wird und Gegenkräften bis zu einem bestimmten Ausmaß standhält.
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Ein weiterer Vorteil der Erfindung gegenüber Entlüftungsbohrungen im Zylinderrohr besteht darin, dass die Entlüftung vollständig innerhalb des Zylinderrohrs verwirklicht und damit vor äußeren Umwelteinflüssen wie Feuchte, Staub, etc. bestmöglich geschützt ist, ohne dass dafür zusätzliche Maßnahmen oder Bauteile erforderlich sind.
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Zweckmäßigerweise verläuft die erfindungsgemäß vorgesehene Entlüftungsnut im Wesentlichen in axialer Richtung.
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Im Falle eines länglichen Kolbens ist eine Gestaltung vorteilhaft, bei der die Entlüftungsnut an einem verdickten Abschnitt des Kolbens angeordnet ist. Wenn der Kolben nicht über seine gesamte Länge, sondern nur oder großteils mit dem verdickten Abschnitt an der Innenwand des Zylinderrohrs anliegt, muss das Gas für eine erfindungsgemäße Entlüftung nämlich nur dieser Abschnitt überwinden.
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Die Entlüftungsnut ist vorzugsweise an einem dem Gasgenerator zugewandten Endabschnitt des Kolbens angeordnet, da dieser Endabschnitt nach der Verlagerung des Kolbens im Zylinderrohr verbleibt.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Entlüftungsnut in Radialrichtung des Kolbens, gemessen von dessen äußeren Durchmesser, tiefer als eine Auflagefläche für eine Dichtung, die im Betrieb des pyrotechnischen Aktuators in Kontakt mit dem Kolben und mit der Innenwand des Zylinderrohrs steht. Bei dieser Gestaltung verbleibt zwischen der Dichtung, die die Brennkammer dynamisch abdichtet, und der Bodenwand der Entlüftungsnut ein Entlüftungsschlitz, der weitestgehend unabhängig von der Beschaffenheit der Zylinderrohrinnenwand (fertigungstechnisch bedingte Unebenheiten, etc.) oder etwaiger Ablagerungen an der Zylinderrohrinnenwand ist.
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Konkret kann die bevorzugte Ausführungsform des pyrotechnischen Aktuators so gestaltet sein, dass am Endabschnitt des Kolbens eine in Umfangsrichtung vollständig umlaufende Nut vorgesehen ist, in die ein O-Ring als Dichtung eingesetzt ist. Zwischen dem O-Ring, Seitenwänden und Bodenwand der Entlüftungsnut ein Entlüftungsschlitz gebildet ist, durch den das Gas aus der Druckkammer abströmen kann.
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Besonders vorteilhaft ist, dass, jeweils in Radialrichtung des Kolbens gemessen, die Erstreckung des Entlüftungsschlitzes 5% bis 90%, vorzugsweise 10% bis 70%, insbesondere 15% bis 30% der maximalen Erstreckung der Seitenwände beträgt, da sich hierdurch eine optimale Entlüftungscharakteristik einstellen last.
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Weiterhin vorteilhaft ist eine Anwendung der Erfindung in einem pyrotechnischen Aktuator, bei dem der Kolben eine längliche Hülse ist. Der Kolben kann aber auch zumindest teilweise aus Vollmaterial gefertigt sein.
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Die Aufgabe der Erfindung bezüglich des Motorhaubenaufstellers wird erfindungsgemäß durch einen Motorhaubenaufsteller mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 gelöst.
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Die Aufgabe der Erfindung bezüglich des Gurtstraffers wird erfindungsgemäß durch einen Gurtstraffer mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst.Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus der beigefügten Zeichnung, auf die Bezug genommen wird. In den Figuren zeigen:
- - 1 eine Teilschnittansicht eines erfindungsgemäßen pyrotechnischen Aktuators;
- - 1a eine vergrößerte Darstellung eines Details der 1;
- - 2 eine perspektivische Ansicht des Endabschnitts des Zylinderrohrs des pyrotechnischen Aktuators; und
- - 3 eine stirnseitige Ansicht eines Teils des Endabschnitts des Zylinderrohrs mit eingesetzter Dichtung.
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In 1 ist ein pyrotechnischer Aktuator 10 mit einem länglichen Zylinderrohr 12, das an seinen beiden Stirnseiten keine Wände aufweist. An einem ersten Ende des Zylinderrohrs 12 ist ein Gasgenerator 14 mit einem Anzünder und einem in einer Treibstoffhülse 16 aufgenommenen Treibstoff angeordnet. Ein Anzünderträger 18 ist mittels einer Rollierverbindung im Zylinderrohr 12 so festgelegt, dass das Zylinderrohr 12 auf dieser Seite dicht verschlossen ist. Der Anzünderträger kann auch durch eine andere geeignete form- und/oder stoffschlüssige Verbindung festgelegt sein. Die entgegengesetzte Stirnseite des Zylinderrohrs 12 kann bei vollständig eingefahrenem Kolben durch eine (nicht dargestellte) Kappe geschlossen sein.
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Im Zylinderrohr 12 ist ein axial verschiebbarer Kolben 20 angeordnet. Der Kolben 20 ist als längliche Hülse ausgebildet, die auf der dem Gasgenerator 14 zugewandte Seite offen und auf der entgegengesetzten Seite geschlossen ist. Der dem Gasgenerator 14 zugewandte Endabschnitt 22 des Kolbens 20 (Kolbenbund) ist verdickt, d. h. der Außendurchmesser dieses Endabschnitts 22 hat einen größeren Außendurchmesser als der daran anschließende Abschnitt des Kolbens 20.
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Am verdickten Endabschnitt 22 des Kolbens 20 ist auf dessen Außenseite eine in Umfangsrichtung vollständig umlaufende Nut 25 gebildet, in die eine Dichtung 24 in Form eines O-Rings eingesetzt ist. Wie insbesondere in der vergrößerten Darstellung der 1a zu erkennen ist, steht die Dichtung 24 einerseits mit dem Kolben 20 und andererseits mit der Innenwand des Zylinderrohrs 12 in Kontakt Der Raum zwischen dem Gasgenerator 14 und dem Kolben 20, einschließlich des Hohlraums des Kolbens 20, stellt somit eine im Wesentlichen abgedichtete Druckkammer dar.
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Der vom Gasgenerator 14 abgewandte Endabschnitt 26 des Zylinderrohrs 12 weist einen kleineren Innendurchmesser als der daran anschließende Abschnitt des Zylinderrohrs 12 auf, welcher einen gleichbleibenden Innendurchmesser hat. Die Stufe zwischen dem verjüngten Endabschnitt 26 und dem daran anschließenden Abschnitt bildet einen Anschlag 28 für den Kolben 20. In 2 ist zu erkennen, dass am Endabschnitt 22 des Kolbens 20 auf dessen Außenseite eine Nut eingebracht ist, die nachfolgend als Entlüftungsnut 30 bezeichnet wird. Die Entlüftungsnut 30 verläuft axial und erstreckt sich über die gesamte Länge des verdickten Endabschnitts 22, sodass sie die Nut 25 für die Dichtung 24 kreuzt. Die Entlüftungsnut 30 wird dabei in Radialrichtung des Kolbens 20, zur Längsachse des Zylinderrohrs 12 hin, durch eine Bodenwand 36 und in Umfangsrichtung des Kolbens 20 durch zwei Seitenwände 38 begrenzt. Die Entlüftungsnut 30 ist dabei, in Radialrichtung des Kolbens 20, gemessen von dessen äußeren Durchmesser, tiefer als die Auflagefläche 32 der Nut 25 für die umlaufende Dichtung 24, d. h. die Bodenwand 36 der Entlüftungsnut 30 ist der Mittelachse (Längsachse) des Zylinderrohrs 12 näher als die angrenzende Auflagefläche 32. Das bedeutet, dass die in den Endabschnitt 22 eingesetzte Dichtung 24 nicht auf der Bodenwand 36 der Entlüftungsnut 30 aufliegt, wie in 3 zu erkennen ist. Vielmehr verbleibt zwischen der Dichtung 24, den Seitenwänden 38 und der Bodenwand 36 der Entlüftungsnut 30 ein kleiner Entlüftungsschlitz 34.
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Im Ausgangszustand des pyrotechnischen Aktuators 10 liegt der Endabschnitt 22 des Kolbens 20 am Anzünderträger 18 an, sodass die Treibstoffhülse 16 in den Hohlraum des Kolbens 20 hineinragt, in diesem Zustand ist der Kolben 20 vollständig im Zylinderrohr 12 aufgenommen.
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Im Aktivierungsfall wird im Gasgenerator 14 der Treibstoff mithilfe des Anzünders gezündet und brennt ab. Das dabei entstehende Gas erhöht schlagartig den Druck in der zwischen dem Gasgenerator 14 und dem Kolben 20 gebildeten Druckkammer, die mittels der Dichtung 24 weitgehend abgedichtet ist. Die Druckbeaufschlagung sorgt dafür, dass sich der Kolben 20 aus seiner Ausgangslage in axialer Richtung vom Gasgenerator 14 entfernt, bis diese Bewegung dadurch gestoppt wird, dass der Kolben 20 am Anschlag 28 zum Stillstand kommt.
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Das in der expandierten Druckkammer befindliche Gas kann anschließend durch den Entlüftungsschlitz 34 zwischen der Bodenwand 36 der Entlüftungsnut 30 und der Dichtung 24 aus der Druckkammer abströmen und durch die offene Seite des Zylinderrohrs 12 in die Umgebung entweichen. Der Entlüftungsschlitz 34, ist in seinen Dimensionen, insbesondere hinsichtlich des Strömungsquerschnitts, aber so bemessen, dass das in der Druckkammer befindliche Gas nicht sofort vollständig entweicht. Somit ist sichergestellt, dass der Kolben 20 seine Endlage über einen bestimmten Zeitraum halten und dabei einer bestimmten Gegenkraft widerstehen kann. Danach, d. h. wenn genügend Gas aus der Druckkammer entwichen ist, kann der Kolben 20 in seine Ausgangslage zurückgeschoben werden.
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Wie bereits erwähnt ist es möglich, durch die Gestaltung der Entlüftungsnut 30 das Abströmverhalten des Gases den Anforderungen entsprechend einzustellen. Grundsätzlich ist es auch möglich, mehrere Entlüftungsnuten vorzusehen.
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Ein nicht dargestellter Motorhaubenaufsteller für ein Sicherheitssystem an einem Fahrzeug kann einen oben beschriebenen pyrotechnischen Aktuator umfassen. Derartige Motorhaubenaufsteller sind insbesondere für den Fußgängerschutz vorgesehen, wobei bei einer Kollision eines Fahrzeugs mit einem Fußgänger die Motorhaube des Fahrzeugs mittels des pyrotechnischen Aktuators angehoben (aufgestellt) wird. Die für den Aufprall des Fußgängers relevante Knautschzone, insbesondere der Bereich an bzw. unter der Motorhaube, lässt sich somit vergrößern und/oder weicher gestalten.
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Ein nicht dargestellter Gurtstraffer für ein Insassenschutzsystem in einem Fahrzeug kann einen oben beschriebenen pyrotechnischen Aktuator umfassen. Derartige Gurtstraffer können bei einer Kollision des Fahrzeugs den Fahrzeuginsassen durch eine Straffung des Sicherheitsgurtes optimal in seiner Sitzposition fixieren, wobei die Straffung des Gurtes durch den pyrotechnischen Aktuator ermöglicht wird.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Aktuator
- 12
- Zylinderrohr
- 14
- Gasgenerator
- 16
- Treibstoffhülse
- 18
- Anzünderträger
- 20
- Kolben
- 22
- Endabschnitt des Kolbens
- 24
- Dichtung
- 25
- Nut
- 26
- Endabschnitt des Zylinderrohrs
- 28
- Anschlag
- 30
- Entlüftungsnut
- 32
- Auflagefläche
- 34
- Entlüftungsschlitz
- 36
- Bodenwand
- 38
- Seitenwand
