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Die Erfindung betrifft eine pyrotechnische Straffvorrichtung für einen Sicherheitsgurt einer Sicherheitsgurteinrichtung mit einer Kraftbegrenzungseinrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1.
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Grundsätzlich besteht bei Straffvorrichtungen der gattungsgemäßen Art das Problem, dass sich die Druckverhältnisse in der Straffvorrichtung während des Straffvorgangs sehr stark ändern. Insbesondere sehr hohe Druckspitzen können dazu führen, dass Teile der Straffvorrichtung beschädigt werden, oder der Bewegungsablauf der Straffvorrichtung gestört wird. Ferner besteht das Problem, dass die Gurtauszugskraft zu Beginn der sich an den Straffvorgang anschließenden kraftbegrenzten Gurtbandauszugsbewegung durch den noch anstehenden Druck in der Straffvorrichtung kurzzeitig auf ein höheres als durch die Kraftbegrenzungseinrichtung definiertes Kraftbegrenzungsniveau ansteigt. Dieser Effekt wird auch allgemein als Kraftbegrenzungsstörung bezeichnet. Zur Vermeidung dieser sich aus dem überhöhten Druck ergebenden entstehenden Nachteile werden bereits verschiedene Lösungen vorgesehen, um Druckspitzen zu vermeiden und den Druck nach der erfolgten Straffung des Sicherheitsgurtes möglichst schnell abzubauen. Ein weiteres Problem besteht darin, dass die Gurtauszugskraft während der Umsteuerphase von der Straffbewegung zu der kraftbegrenzten Gurtauszugsbewegung aufgrund der erforderlichen Verriegelung der Gurtwelle vor dem kraftbegrenzten Gurtbandauszug kurzzeitig absacken kann. Daher sollte die wirkende Straffkraft nach Möglichkeit noch bis zur Verriegelung der Gurtwelle gehalten werden. Damit unterliegt die Auslegung der Straffvorrichtung grundsätzlich gegensätzlichen Anforderungen und die Straffkraft bzw. der Druck in der pyrotechnischen Straffvorrichtung sollte im Idealfall bis zum Verriegeln möglichst noch gehalten werden, wohingegen sie nach dem Verriegeln der Gurtwelle vor dem Beginn der kraftbegrenzten Gurtbandauszugsbewegung möglichst schnell reduziert werden sollte, damit beide Nachteile möglichst vermieden werden.
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Aus der
US 6 345 504 B1 ist eine pyrotechnische Straffvorrichtung mit einer Kolben-Zylindereinheit bekannt, bei der der Kolben durch eine elastische Kugel mit einem Sackloch gebildet ist, und in einer nachfolgenden Kugel eine Durchgangsbohrung vorgesehen ist, durch die ein in dem Sackloch gehaltener Stab hindurchragt. Beim Auftreten eines überhöhten Drucks verursacht der Stab ein Zerbrechen der elastischen Kugel, um ein Entweichen des Gases durch den Kanal zu gestatten. Sowohl die Herstellung des Sackloches als auch die Herstellung der Durchgangsbohrung und des Stabes sind teuer und erfordern einen aufwendigen Montageprozess, der die Straffvorrichtung weiter verteuert.
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Aus der
DE 10 2009 051 451 A1 ist ferner eine pyrotechnische Straffvorrichtung bekannt, welche einen Kolbenantrieb aufweist, in dem ein Kolben mit einer in der seitlichen Randfläche des Kolbens angeordneten Kerbe vorgesehen ist. Die Kerbe ist zu Beginn der Straffbewegung verschlossen bzw. sie weist alternativ einen nur sehr kleinen Öffnungsquerschnitt auf, und wird durch den anstehenden Druck und die Strömungsverhältnisse geöffnet oder erweitert. Dadurch wird zu Beginn der Straffbewegung eine größere Straffleistung übertragen und der anstehende Druck bzw. die wirkende Straffkraft zum Ende der Straffbewegung hin durch das Öffnen oder Erweitern der Kerbe schneller verringert.
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Aus der
DE 10 2010 018 513 A1 ist eine Straffervorrichtung für einen Sicherheitsgurt bekannt, bei dem ein Kolben in einem Rohr geführt ist, welcher einen Druckraum im Rohr verschließt, wobei der Druckraum durch einen Gasgenerator mit einem Druck beaufschlagbar ist, wodurch der Kolben zu einer Strafferbewegung angetrieben wird, welche mittels an der Stirnseite des Kolbens anliegenden Massekörpern auf den Sicherheitsgurt übertragbar ist. Zentrisch in dem Kolben ist ein Durchgang vorgesehen, welcher durch einen dünnwandigen Steg verschlossen ist, welcher bei Überschreiten eines vorbestimmten Drucks im Druckraum aufreißt.
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Bei beiden Lösungen sind keine Maßnahmen zur Verringerung des bekannten Durchsackens der Gurtauszugskraft während des Umsteuervorgangs von der Straffbewegung zu der kraftbegrenzten Gurtbandauszugsbewegung bekannt.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine gattungsgemäße Straffvorrichtung mit einer hohen Straffleistung bereitzustellen, welche eine über den Sicherheitsgurt ausgeübte Rückhaltekraft mit einer möglichst geringen Kraftbegrenzungsstörung und einem gleichzeitig geringen Abfall während der Umsteuerbewegung ermöglichen soll.
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Die Aufgabe der Erfindung wird durch eine Straffvorrichtung für einen Sicherheitsgurt einer Sicherheitsgurteinrichtung mit einer Kraftbegrenzungseinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind den Unteransprüchen, den Figuren sowie der zugehörigen Beschreibung zu entnehmen.
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Gemäß dem Grundgedanken der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Kerbe zweistufig mit einem ersten Abschnitt mit einem geringen Öffnungsquerschnitt und einem zweiten Abschnitt mit einem größeren Öffnungsquerschnitt ausgebildet ist, und eine Trennwand vorgesehen ist, welche zwischen dem zweiten Abschnitt und dem ersten Abschnitt angeordnet ist und derart bemessen ist, dass sie während der Straffbewegung unter den herrschenden Druckverhältnissen aufreißt und/oder durch Materialabtrag zumindest teilweise abgetragen wird. Dabei wird die Kerbe erfindungsgemäß zunächst einmal in zwei Abschnitte aufgeteilt, welche in Strömungsrichtung des Gasstromes bzw. in Längsrichtung der Kerbe hintereinander angeordnet sind und unterschiedliche Strömungsquerschnitte aufweisen. Die Abschnitte der Kerbe sind erfindungsgemäß durch eine Trennwand voneinander getrennt, so dass eine Durchströmung des zweiten Abschnittes mit dem größeren Strömungsquerschnitt in der Anfangsphase der Straffbewegung nicht möglich ist. Damit wird durch die Trennwand ein Druckabbau durch den zweiten Abschnitt der Kerbe in einer Anfangsphase der Straffbewegung verhindert und die Straffleistung bewusst nicht verringert. Erst durch das Aufreißen der Trennwand oder durch den Materialabtrag der Trennwand wird eine Durchströmung des zweiten Abschnittes von dem ersten Abschnitt ermöglicht, und dadurch der zum Druckabbau zur Verfügung stehende Strömungsquerschnitt vergrößert, so dass der Druckabbau sukzessive oder schlagartig vergrößert wird und die anstehende Straffkraft zum Ende der Straffbewegung bewusst verringert wird. Die anliegende Straffkraft wird dadurch wesentlich länger und vorzugsweise bis zum Verriegeln der Gurtwelle gehalten, so dass die Rückhaltekraft in der Umsteuerphase nicht durchsackt. Gleichzeitig wird der Druck nach dem Aufreißen der Trennwand bzw. dem Abtragen der Trennwand wesentlich schneller abgebaut, so dass die Kraftbegrenzungsstörung zu Beginn der Kraftbegrenzungsphase möglichst gering ist. Außerdem wird die Straffleistung insgesamt zu Beginn der Straffbewegung durch das erst spätere Aufreißen oder Abtragen der Trennwand nicht nachteilig vermindert. Damit kann die Straffvorrichtung durch die vorgeschlagene Lösung hinsichtlich aller zu erfüllender Anforderungen an die Straffleistung und die Rückhaltekraft besser ausgelegt werden, wobei zur Auslegung insbesondere die Bemessung der Abschnitte der Kerbe und die Bemessung der Trennwand zur Verfügung stehen.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass die Dichtfläche des Kolbens einen ersten Abschnitt mit einem größeren Durchmesser und einen zweiten Abschnitt mit einem kleineren Durchmesser aufweist, und der Kolben mit dem ersten Abschnitt an dem Rohr dichtend anliegt, und der erste Abschnitt der Kerbe in dem ersten Abschnitt der Dichtfläche angeordnet ist. Damit wirkt der erste Abschnitt der Kerbe bereits zu Beginn der Straffbewegung, da er in dem an der Wandung des Rohres anliegenden Abschnitt der Kerbe angeordnet ist. Der zweite Abschnitt der Kerbe wird dann erst in einer späteren Phase der Straffbewegung zum Druckabbau genutzt, wenn die Trennwand aufgerissen oder abgetragen ist. Dabei kann der erste Abschnitt der Kerbe zu diesem Zeitpunkt durch Materialabtrag ebenfalls erweitert sein, so dass der insgesamt zur Verfügung stehende Strömungsquerschnitt zum Druckabbau in der späteren Phase der Straffbewegung wesentlich größer als in der Anfangsphase der Straffbewegung ist.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass der erste Abschnitt in Längsrichtung der Kerbe kürzer als der erste Abschnitt der Dichtfläche ist, und die Trennwand durch einen nichtgekerbten Abschnitt des ersten Abschnittes der Dichtfläche gebildet ist. Die Trennwand kann dadurch bei der Herstellung der Kerbe gleich mitgeformt werden, indem die Kerbe in der Länge so bemessen ist, dass sie sich nicht über die gesamte Länge des ersten Abschnittes erstreckt, sondern ein Abschnitt bewusst nichtgekerbt ist und dadurch als Trennwand für den Gasstrom wirkt.
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Weiter wird vorgeschlagen, dass der zweite Abschnitt wenigstens abschnittsweise konisch ausgebildet ist. Dadurch wird bewusst eine Änderung der Strömungsgeschwindigkeit des durchströmenden Gasstromes bewirkt. Der zweite Abschnitt ist dabei bevorzugt konisch sich in Strömungsrichtung erweiternd ausgebildet, so dass der Eintrittsquerschnitt des zweiten Abschnittes praktisch eine Engstelle darstellt, in welcher eine besonders hohe Strömungsgeschwindigkeit herrscht und dadurch ein besonders hoher Materialabtrag stattfindet.
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Weiter wird vorgeschlagen, dass an dem Kolben mehrere Kerben, vorzugsweise drei Kerben, vorgesehen sind, welche in Umfangsrichtung äquidistant zueinander angeordnet sind. Durch das Vorsehen von mehreren Kerben kann der Druck gleichmäßiger über den Umfang verteilt abgebaut werden, wobei insbesondere die äquidistante Anordnung einen gleichmäßigen Druckabbau und dadurch auch eine gleichmäßigere Belastung des Kolbens ermöglicht.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren erläutert. Dabei zeigt:
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1–4: einen erfindungsgemäß ausgebildeten Kolben in verschiedenen Darstellungen;
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5: einen Gurtaufroller mit einer erfindungemäß ausgebildeten Straffvorrichtung;
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6: verschiedene alternative Ausführungsformen der Kerbe in dem Kolben; und
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7: Druckverläufe über der Zeit für verschiedene Straffvorrichtungen mit einem Kolben ohne Öffnung, mit einem Kolben mit einer einfachen Kerbe und mit einem Kolben mit einer erfindungsgemäßen Kerbe.
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Der in 5 schematisch gezeigte Gurtaufroller umfasst ein Gehäuse 11 mit Seitenschenkeln 13, eine darin gelagerte Gurtaufwickelwelle 12 für einen nicht dargestellten Sicherheitsgurt und eine nach Auslösung auf die Gurtaufwickelwelle 12 einwirkende Straffvorrichtung 10. Die Straffvorrichtung 10 umfasst ein mit der Gurtaufwickelwelle 12 drehfest verbundenes Antriebsrad 14, das beispielsweise eine Außenverzahnung 15 aufweist, einen insbesondere pyrotechnischen Gasgenerator 17 zur Erzeugung eines Gasdrucks, und ein den Gasgenerator 17 mit der Gurtaufwickelwelle 12 über das Antriebsrad 14 verbindendes Rohr 16. Das Rohr 16 wird von einer Rohrwand 24 gebildet, die Teil des Gehäuses 11 oder alternativ auch ein separates Bauteil sein kann.
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In dem Rohr 16 ist eine Reihe von insbesondere metallischen Kugeln 19 zur Übertragung des von dem Gasgenerator 17 erzeugten Gasdrucks auf die Gurtaufwickelwelle 12 über das Antriebsrad 14 vorgesehen. Der Gurtaufroller ist hinsichtlich der Ausgestaltung des Wechselwirkungsbereichs 18 zwischen der Kugelreihe 19 und dem Antriebsrad 14 sowie etwaiger Kupplungseinrichtungen zwischen dem Antriebsrad 14 und der Gurtaufwickelwelle 12 nicht beschränkt. Zur reibungsarmen Kraftübertragung ist der Außendurchmesser der Kugeln 19 zweckmäßigerweise etwas geringer als der Innendurchmesser des Rohres 16.
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In dem Rohr 16 ist weiterhin ein nur schematisch angedeuteter Kolben 21 vorgesehen, der zweckmäßigerweise in einem Bereich 23 zwischen dem Gasgenerator 17 und der Kugelreihe 19, das heißt unmittelbar vor der in Kraftübertragungsrichtung ersten Kugel 19a der Kugelreihe 19 angeordnet ist. Der Kolben 21 schließt einen durch den Gasgenerator 17 mit einem Gasdruck beaufschlagbaren Druckraum 20 in dem Rohr 16 ab, so dass er bei einer Druckbeaufschlagung des Druckraumes 20 durch den Gasgenerator 17 zu einer Straffbewegung antreibbar ist. Die Straffbewegung des Kolbens 21 wird durch die Kraftübertragungseinrichtung, gebildet durch die Kugeln 19 und das Antriebsrad 14, auf die Gurtwelle 12 übertragen, so dass das Gurtband bei einer Aktivierung des Gasgenerators 17 gestrafft wird. Die Straffvorrichtung 10 wurde beispielhaft in Anwendung auf einen Gurtaufroller mit einer Kraftübertragungseinrichtung aus einer Reihe von Kugeln 19 und einem Antriebsrad 14 beschrieben, denkbar wären aber auch andere Arten der Kraftübertragungseinrichtungen, wie z. B. ein Zahnstangen- oder Seilantrieb. Die Erfindung ist praktisch auf alle Arten von Straffvorrichtungen anwendbar, deren Antrieb eine Kolben-Zylindereinheit umfasst. Die Straffvorrichtung kann auch an einem Gurtschloss oder einem Endbeschlag angeordnet sein.
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In den 1 bis 4 ist der Kolben 21 mit drei in einem Winkel von 120 Grad in Umfangsrichtung äquidistant zueinander angeordneten Kerben 5, 6 und 7 vergrößert in verschiedenen Darstellungen zu erkennen, wobei die Erfindung beispielhaft anhand der Kerbe 5 näher beschrieben wird. Der Kolben 21 ist zylindrisch und leicht konisch ausgebildet und weist eine Dichtfläche 4 mit einem ersten Abschnitt 4c, einem zweiten Abschnitt 4b und einem dritten Abschnitt 4a auf. Der erste Abschnitt 4c des Kolbens 21 ist konisch sich in Richtung des Druckraumes 20 erweiternd ausgebildet, so dass er mit einer Dichtlippe 3 dichtend an der Innenwand des Rohres 16 anliegt. Der zweite Abschnitt 4b weist einen geringeren Außendurchmesser als der erste Abschnitt 4c auf und verläuft zylindrisch mit einem in Axialrichtung konstanten Durchmesser. An dem zweiten Abschnitt 4b schließt sich in Axialrichtung der dritte Abschnitt 4a an, welcher sich ausgehend von dem zweiten Abschnitt in Axialrichtung auf einen wiederum kleineren Durchmesser konisch verjüngt. Insgesamt weist der Kolben 21 dadurch eine Stufenform mit zwei konischen Abschnitten 4a und 4c auf, welche es ermöglicht, dass der Kolben 21 dichtend durch das gekrümmte Rohr 16 bewegt wird, ohne dabei festzuklemmen oder seine Dichtwirkung zu verlieren. Der Kolben 21 weist dabei im Bereich des ersten Abschnitts 4c eine in Richtung des Randes abnehmende Wandstärke auf, welche an dem Rand schließlich derart bemessen ist, dass die Dichtlippe 3 geringfügig flexibel ist, und der Kolben 21 unter dichtender Anlage an der Innenwandung des Rohres 16 dem Verlauf der Krümmung folgen kann.
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Die Kerbe 5 ist aus zwei in Längsrichtung hintereinander angeordneten Abschnitten 5a und 5b gebildet, welche durch eine Trennwand 5c voneinander getrennt sind. Wie in der Schnittdarstellung in 4 zu erkennen ist, ist der erste Abschnitt 5a der Kerbe 5 nicht so tief ausgeführt, dass er sich über die gesamte Länge des konischen ersten Abschnitts 4c der Dichtfläche 4 erstreckt, sondern stattdessen ein kurzes Stück des ersten Abschnittes 4c nichtgekerbt ist, welches hier als eine Trennwand 5c zu einem zweiten Abschnitt 5b der Kerbe 5 wirkt.
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Der zweite Abschnitt 5b der Kerbe 5 erstreckt sich ausgehend von dem Rand des dritten Abschnitts 4a der Dichtfläche 4 bis in den zweiten Abschnitt 4b der Dichtfläche 4 hinein, wobei er sich konisch zu der Mitte der Dichtfläche 4 hin verengt. Die Trennwand 5c bildet praktisch eine Art Stufe von dem zweiten Abschnitt 5b mit dem kleineren Durchmesser hin zu dem ersten Abschnitt 5a mit dem größeren Durchmesser, so dass beide Abschnitte 5a und 5b nicht direkt ineinander übergehen.
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In der Anfangsphase der Straffbewegung kann ein Druckausgleich von dem Druckraum 20 auf die andere Seite des Kolbens 21 allein über den ersten Abschnitt 5a der Kerbe 5 erfolgen. Aufgrund des durch den ersten Abschnitt 5a der Kerbe 5 mit der hohen Strömungsgeschwindigkeit hindurchströmenden Gasstromes wird die Trennwand 5c durch Erosion abgetragen, so dass der Gasstrom anschließend auch durch den zweiten Abschnitt 5b der Kerbe 5 in den ersten Abschnitt 5a einströmen kann. Aufgrund der geschaffenen Verbindung und des auch in dem ersten Abschnitt 5a der Kerbe 5 stattfindenden Materialabtrages wird der zur Verfügung stehende Strömungsquerschnitt während der Straffbewegung bewusst vergrößert, so dass zum Ende der Straffbewegung ein erheblich größerer Druckausgleich stattfinden kann, als dies während der Anfangsphase der Straffbewegung der Fall ist. Dabei wird durch die Trennwand 5c bewusst ein Abschnitt vorgesehen, welcher entsprechend seiner Wandstärke nach einer vorbestimmten Zeit abgetragen wird oder aufreißt und erst dann die Strömungsverbindung freigibt. Der Strömungsquerschnitt wird dadurch in einer Spätphase der Straffbewegung schlagartig vergrößert, so dass die Straffkraft länger gehalten und nach dem Abtragen oder Aufreißen der Trennwand schneller abgebaut wird. Damit kann die Gurtwelle ohne ein Durchsacken der Rückhaltekraft verriegeln, ohne dass das Kraftbegrenzungsniveau der Rückhaltekraft bei der Aktivierung der Kraftbegrenzungseinrichtung unnötig erhöht wird. Der Verlauf der durch die Straffvorrichtung bewirkten Rückhaltekraft entspricht damit in der Annäherung eher einer Rechteckform als dies bei Straffvorrichtungen der gattungsgemäßen Art mit einfachen Bohrungen zum Druckausgleich der Fall war.
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In der 6 sind drei verschiedene Formgebungen der Kerbe 5 zu erkennen, bei denen der erste Abschnitt 5a jeweils eine konstante Breite aufweist und durch eine Trennwand 5c konstanter Wandstärke von einem zweiten Abschnitt 5b getrennt ist. Der zweite Abschnitt 5b weist in dem linken Ausführungsbeispiel einen konischen Verlauf mit in Strömungsrichtung zunehmender Breite und in dem Beispiel in der Mitte eine Rechteckform mit in Strömungsrichtung konstanter Breite auf. Beiden Ausführungsbeispielen gemeinsam ist, dass die Breite des zweiten Abschnitts 5b im Mittel größer ist als die Breite des ersten Abschnitts, so dass durch den zweiten Abschnitt 5b ein größerer Gasstrom zum Druckausgleich hindurchströmen kann als durch den ersten Abschnitt zu Beginn des Straffvorganges. Dabei kann der erste Abschnitt 5a zum Zeitpunkt des Aufreißens der Trennwand 5c durch Materialabtrag bereits auch schon auf einen größeren Strömungsquerschnitt aufgeweitet sein. In dem rechten Ausführungsbeispiel ist der zweite Abschnitt 5b durch eine Kombination der beiden vorangehend beschriebenen Ausführungsbeispiele gebildet, indem dieser zunächst einen Abschnitt mit einer konstanten Breite aufweist, an den sich ein konischer Abschnitt anschließt.
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In der
7 ist der Druckverlauf über der Zeit für verschiedene Kolben
21 dargestellt. Die Kurve A zeigt den Druckverlauf in einer Straffvorrichtung mit einem Kolben
21 ohne Öffnung bzw. ohne eine Kerbe
5. Die Kurve B zeigt den Druckverlauf, wenn in dem Kolben
21 eine einfache Kerbe
5 vorgesehen ist, wie sie z. B. aus der
DE 10 2009 051 451 A1 bekannt ist. Die Kurve C zeigt schließlich den Verlauf des Druckes bei Verwendung eines erfindungsgemäßen Kolbens
21. Bei einer Aktivierung des Gasgenerators
17 steigt der Druck zunächst bis zu einem Zeitpunkt T1 an, in diesem Verlauf unterscheiden sich die Kurven A, B und C nicht. Ab dem Zeitpunkt T1 beginnt der Gasstrom durch die Kerbe
5 zu entweichen, so dass die Kurven B und C bzw. die Drücke in den Straffvorrichtungen
10 mit einem Kolben
21 mit einer Kerbe
5 entsprechend während eines Zeitraumes I bis zu einem Zeitpunkt T2 sinken. Zu dem Zeitpunkt T2 reißt die Trennwand
5c in dem erfindungsgemäß ausgebildeten Kolben
21 auf, so dass ein größerer Gasstrom durch die Kerbe
5 strömen kann und der Druck sprungartig weiter gesenkt wird, was anhand des Verlaufs der Kurve C zu erkennen ist. Damit wird der Druck während der weiteren Zeitdauer II schlagartig gesenkt und dadurch eine mögliche Kraftbegrenzungsstörung vermieden oder zumindest verringert, was durch den Vergleich der Kurven B und C deutlich zu erkennen ist.
