DE102019121733A1

DE102019121733A1 - Kraftbegrenzereinheit eines Sicherheitsgurtsystems und Sicherheitsgurtsystem

Info

Publication number: DE102019121733A1
Application number: DE102019121733.4A
Authority: DE
Inventors: Philipp Göltz
Original assignee: ZF Automotive Germany GmbH
Current assignee: ZF Automotive Germany GmbH
Priority date: 2019-08-13
Filing date: 2019-08-13
Publication date: 2021-02-18

Abstract

Eine Kraftbegrenzereinheit (16) eines Sicherheitsgurtsystems hat wenigstens ein Kraftwandelelement (18), das eine positionsveränderliche Gurtbandführung (22) aufweist, wobei das Kraftwandelelement (18) eine nicht kraftbegrenzende Stellung und eine kraftbegrenzende Stellung einnehmen kann. In einem normalen Gurtbandverlauf verläuft das Gurtband (14) mit einer ersten Reibungskraft durch die Kraftbegrenzereinheit (16), während in der kraftbegrenzenden Stellung des Kraftwandelelements (18) das Gurtband (14) mit einer zweiten, gegenüber der ersten Reibungskraft erhöhten Reibungskraft durch die Gurtbandführung (22) verläuft und das Kraftwandelelement (18) eine vorgegebene Auszugskraft (F1) vorgibt, die notwendig ist, um das Gurtband (14) in einer Gurtbandauszugsrichtung durch die Kraftbegrenzereinheit (16) zu bewegen. Die Kraftbegrenzereinheit (16) umfasst wenigstens ein Umlenkelement (30a, 30b) mit einer positionsfesten Umlenkfläche (32), das im Gurtbandverlauf vor oder hinter dem Kraftwandelelement (18) angeordnet ist. Im Sicherheitsgurtsystem ist die Kraftbegrenzereinheit (16) im Gurtbandverlauf in Gurtbandauszugsrichtung vor einem Gurtaufroller angeordnet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kraftbegrenzereinheit eines Sicherheitsgurtsystems, insbesondere eines Sicherheitsgurtsystems in einem Fahrzeug, sowie ein Sicherheitsgurtsystem mit einer Kraftbegrenzereinheit.
Bei einer abrupten Fahrzeugverzögerung blockiert der Gurtaufroller, um ein weiteres Abziehen von Gurtband zu unterbinden und den Fahrzeuginsassen auf dem Sitz zurückzuhalten. Um die bei einer Vorverlagerung des Fahrzeuginsassen auf diesen durch das Gurtband wirkende Kraft auf ein verträgliches Maß zu begrenzen, werden Kraftbegrenzereinheiten eingesetzt, die bei Überschreiten einer vorgegebenen Auszugskraft, die der Insasse auf das Gurtband ausübt, dennoch einen weiteren Auszug von Gurtband auf einem vorgegebenen Kraftniveau ermöglichen.
Es ist bekannt, Kraftbegrenzereinheiten im Gurtaufroller oder im Bereich des Gurtschlosses anzuordnen, beispielsweise einen Torsionsstab in der Achse einer Gurtspule des Gurtaufrollers. Vorteilhaft bei einer über das Gurtband erfolgenden Kraftbegrenzung ist eine insassennahe Wirkung. Bei der Verwendung einer Kraftbegrenzereinheit im Gurtaufroller muss jedoch stets der sogenannte Filmspuleneffekt berücksichtigt werden, da sich bei einer hohen Auszugskraft zunächst das locker auf der Gurtspule aufgewickelte Gurtband zusammenzieht, bevor die Kraftbegrenzereinheit anspricht.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine flexibel einsetzbare Kraftbegrenzereinheit zu schaffen, die kostengünstig eine präzise einsetzende Kraftbegrenzung bei einer vorgegebenen Auszugskraft ermöglicht.
Diese Aufgabe wird mit einer Kraftbegrenzereinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die Kraftbegrenzereinheit eines Sicherheitsgurtsystems hat wenigstens ein Kraftwandelelement, das dazu ausgelegt ist, mit einem Gurtband des Sicherheitsgurtsystems zusammenzuwirken und das eine positionsveränderliche Gurtbandführung aufweist. Das Kraftwandelelement kann eine nicht kraftbegrenzende Stellung und eine kraftbegrenzende Stellung einnehmen. Für das Gurtband ist ein normaler Gurtbandverlauf durch die Kraftbegrenzereinheit vorgesehen, in dem das Kraftwandelelement in der nicht kraftbegrenzenden Stellung ist und das Gurtband mit einer ersten Reibungskraft durch die Kraftbegrenzereinheit verläuft, während in der kraftbegrenzenden Stellung des Kraftwandelelements das Gurtband mit einer zweiten, gegenüber der ersten Reibungskraft erhöhten Reibungskraft durch die Gurtbandführung verläuft. In der kraftbegrenzenden Stellung gibt das Kraftwandelelement eine vorgegebene Auszugskraft vor, die notwendig ist, um das Gurtband in einer Gurtbandauszugsrichtung durch die Kraftbegrenzereinheit zu bewegen. Die Kraftbegrenzereinheit umfasst wenigstens ein Umlenkelement mit einer positionsfesten Umlenkfläche, das im Gurtbandverlauf vor oder hinter dem Kraftwandelelement angeordnet ist. Die Umlenkfläche bildet in der kraftbegrenzenden Stellung des Kraftwandelelements eine Umlenkung für das Gurtband, sodass das Gurtband in der kraftbegrenzenden Stellung des Kraftwandelelements in einem anderen Winkel über die Umlenkfläche verläuft als in der nicht kraftbegrenzenden Stellung des Kraftwandelelements.
Die vorgegebene Auszugskraft gibt dabei die Kraftschwelle (im Folgenden auch als Kraftniveau bezeichnet) vor, ab der die Kraftbegrenzereinheit einen weiteren Auszug von Gurtband zulässt. Bleibt die am Gurtband wirkende Auszugskraft unter dieser Kraftschwelle, wird das Gurtband nicht durch die Kraftbegrenzereinheit bewegt.
Diese Kraftschwelle ist durch eine erhöhte Reibung zwischen dem Gurtband und der Kraftbegrenzereinheit, spezifisch der Gurtbandführung des Kraftwandelelements und der Umlenkung des Gurtbandes an der Umlenkfläche, realisiert, indem das Gurtband über Kanten und Flächen der Kraftbegrenzereinheit gezogen werden muss, was die erhöhte zweite Reibungskraft zur Folge hat.
Der normale Gurtbandverlauf bildet vorzugsweise eine Gerade, entlang der sich das Gurtband durch die Kraftbegrenzereinheit erstreckt, sodass das Kraftwandelelement und das Umlenkelement keine nennenswerten Reibungskräfte auf das Gurtband ausüben. In der Regel liegen sowohl die die Gurtbandführung begrenzenden Flächen als auch die Umlenkfläche vollständig parallel zum Gurtband in einer Position, in der sie den Verlauf des Gurtbands nicht beeinflussen. Das Gurtband passiert demnach die Umlenkfläche mit einem Winkel von 180°.
Die erste Reibungskraft im normalen Gurtbandverlauf ist so gering wie möglich gewählt und ergibt sich lediglich aus den nicht vermeidbaren Kontakten des Gurtbands mit Bauteilen der Kraftbegrenzereinheit. In idealisierter Form berührt das Gurtband im normalen Gurtbandverlauf weder das Kraftwandelelement noch das Umlenkelement, sodass die erste Reibungskraft gleich Null ist.
Der Gurtbandverlauf, der sich in der kraftbegrenzenden Stellung des Kraftwandelelements ergibt (im folgenden auch kraftbegrenzender Gurtbandverlauf genannt), beschreibt zumindest eine Richtungsänderung, also eine Krümmung oder einen Knick, im Gurtband, die durch die Gurtbandführung und die Umlenkfläche hervorgerufen wird. Vorzugsweise sind mehrere Gurtbandänderungen vorgesehen. Das Gurtband folgt den Richtungsänderungen, wobei das Gurtband an der Gurtbandführung und an der Umlenkfläche umgelenkt wird, d.h., seine Richtung ändert. Hierdurch erhöht sich die Reibung zwischen dem Gurtband und der Gurtbandführung sowie der Umlenkfläche, wobei die zweite Reibungskraft so hoch liegt, dass das Gurtband nur mit einer deutlich über der normalen Auszugskraft liegenden Kraft durch die Kraftbegrenzereinheit gezogen werden kann. Das Kraftniveau (entsprechend der vorgegebenen Auszugskraft), das die zweite Reibungskraft vorgibt, liegt beispielsweise bei etwa 4 bis 8 kN.
Der kraftbegrenzende Gurtbandverlauf kann mehrere Richtungsänderungen mit Winkeln zwischen 170 und 20° aufweisen, denen das Gurtband folgt.
Das Umlenkelement ist vorzugsweise unbeweglich und in einer festen Position in der Kraftbegrenzereinheit angeordnet, sodass auch die Umlenkfläche stets eine feste Position beibehält, beispielsweise relativ zu einem Gehäuse der Kraftbegrenzereinheit. Im Allgemeinen ist nicht vorgesehen, dass sich das Umlenkelement verformt.
Eine Umlenkung des Gurtbandes bedeutet dabei die Änderung des Winkels im Gurtbandverlauf durch die Umlenkfläche gegenüber dem Winkel von 180°, in dem das Gurtband im normalen Gurtbandverlauf über die Umlenkfläche verläuft.
Die Umlenkfläche ist bevorzugt an einem Außenumfang des Umlenkelements ausgebildet, sodass das Gurtband im kraftbegrenzenden Gurtbandverlauf nur auf der Umlenkfläche aufliegt, nicht aber durch eine Gurtbandführung im Umlenkelement verläuft. Dies reduziert Herstellungskosten und vereinfacht die Montage der Kraftbegrenzereinheit am Gurtband.
Die Umlenkfläche kann mit einer glatten Oberfläche mit einer möglichst geringen Rauigkeit ausgebildet sein, um eine Reibung zwischen Umlenkfläche und Gurtband im normalen Gurtbandverlauf so weit wie möglich zu reduzieren.
Beispielsweise ist die Umlenkfläche gewölbt, damit im normalen Gurtbandverlauf ein möglichst geringer Kontakt zum Gurtband entsteht.
Das wenigstens eine Umlenkelement kann ein unbeweglich an einem Gehäuse der Kraftbegrenzereinheit fixiertes Bauteil sein.
In einer alternativen Variante ist das Umlenkelement eine Rolle, die drehbar am Gehäuse der Kraftbegrenzereinheit angeordnet ist. Die Umlenkfläche sollte dann eine kreiszylindrische Form haben, sodass sie sich zwar mit dem Gurtband bewegt, aber dennoch insgesamt stets ihre Position beibehält. Für das Umlenkelement ist kein eigener Antrieb notwendig, die Bewegung kann rein durch das über die Umlenkfläche verlaufende Gurtband erfolgen. Die Achse der Rolle ist vorzugsweise positionsfest am Gehäuse fixiert, sodass sich die Position der Umlenkfläche gegenüber dem Gehäuse auch bei dieser Ausführung nicht verändert.
Genau wie in der ersten Variante ist hier die Reibung zwischen Gurtband und Umlenkfläche im normalen Gurtbandverlauf verringert, während im kraftbegrenzenden Gurtbandverlauf eine erhöhte Reibungskraft hervorgerufen wird, in dem das Gurtband in einem geänderten Winkel über die Umlenkfläche gezogen wird.
In einer bevorzugten Variante sind zwei Umlenkelemente vorgesehen, die im Gurtbandverlauf vor und nach dem Kraftwandelelement angeordnet sind. Die Umlenkfläche eines der Umlenkelemente ist insbesondere auf einer Seite des Gurtbandes und die Umlenkfläche des anderen Umlenkelements auf einer entgegengesetzten Seite des Gurtbandes angeordnet.
Bevorzugt ist genau ein bewegliches Kraftwandelelement vorgesehen, wobei sämtliche Unterschiede im Gurtbandverlauf zwischen dem normalen Gurtbandverlauf und dem kraftbegrenzenden Gurtbandverlauf durch die Positionsveränderung der Gurtbandführung des Kraftwandelelements hervorgerufen werden.
Die kraftbegrenzende Wirkung des Kraftwandelelements wird vorzugsweise rein durch eine Positionsänderung des Kraftwandelelements erreicht, ohne dass sich dieses wesentlich verformt.
Die Gurtbandführung umfasst vorteilhaft eine Durchgangsöffnung im Kraftwandelelement. Möglich ist, dass das Kraftwandelelements einen stabförmigen Abschnitt aufweist, der insbesondere einen kreiszylindrischen Querschnitt mit der Durchgangsöffnung hat. Das Gurtband sollte in allen Stellungen des Kraftwandelelements durch die Durchgangsöffnung verlaufen, um sicherzustellen, dass das Gurtband bei einer Positionsveränderung der Gurtbandführung mitgenommen und der Gurtbandverlauf wie gewünscht verändert wird.
In einer bevorzugten Version ist das Kraftwandelelements um eine Drehachse in die kraftbegrenzende Stellung verdrehbar oder verschwenkbar angeordnet. Durch ein Drehen oder Schwenken des Kraftwandelelements um die Drehachse wird die Gurtbandführung im Kraftwandelelement schräg gestellt, wodurch eine gewinkelte Führung des Gurtbandes im kraftbegrenzenden Gurtbandverlauf erzeugt wird.
Die Drehachse sollte hierzu senkrecht zu Gurtauszugsrichtung und parallel zur Fläche des Gurtbandes liegen, damit das Gurtband nur in einer Richtung senkrecht zu Gurtbandfläche abgelenkt und gleichmäßig belastet wird. Außerdem kann das Gurtband so ohne seitliche Verschiebung durch die Kraftbegrenzereinheit gezogen werden.
Die Drehachse liegt hierzu vorteilhaft innerhalb der Durchgangsöffnung.
Es wäre auch denkbar, das gesamte Kraftwandelelement senkrecht zur Gurtbandfläche und zur normalen Gurtbandführung zu verschieben, wobei die Gurtbandführung entweder zusätzlich durch eine Drehung des Kraftwandelelements schräg gestellt wird oder parallel zum normalen Gurtbandverlauf bleibt.
Beispielsweise kann das Kraftwandelelement von der nicht kraftbegrenzenden Stellung in die kraftbegrenzende Stellung um einen Winkel zwischen etwa 30° und 180°, insbesondere von etwa 70° bis 120°, um seine Dreh- oder Schwenkachse bewegt werden. Es hat sich herausgestellt, dass mit einer derartigen Schrägstellung der Gurtbandführung ausreichende Reibungskräfte zwischen Kraftwandelelement und Gurtband erzeugt werden können, um die Gurtbandauszugskraft auf ein gewünschtes Kraftniveau einzustellen.
Generell lässt sich über den Verdrehwinkel, der mit einer Schrägstellung der Gurtbandführung korreliert, die vorgegebene Auszugskraft einstellen, wobei die vorgegebene Auszugskraft mit steigendem Verdrehwinkel ansteigt. Erst wenn eine höhere Kraft in Gurtauszugsrichtung als die vorgegebene Auszugskraft am Gurtband wirkt, gleitet das Gurtband relativ zum Kraftwandelelement, wobei die Auszugsbewegung durch den gewundenen Gurtbandverlauf gebremst ist.
Die vorgegebene Auszugskraft hängt hauptsächlich von der Umschlingung des Kraftwandelelements und des Umlenkelements durch das Gurtband ab. Hierzu lässt sich ein Umschlingungswinkel ermitteln, der wiederum unter anderem abhängig ist von einem Verdrehwinkel des Kraftwandelelements, einem Durchmesser der Durchgangsöffnung, einem Durchmesser des Kraftwandelelements, einem Winkel des Gurtbandes zu Umlenkfläche sowie einem Radius des Übergangs der Durchgangsöffnung zur Außenfläche des Kraftwandelelements.
In der Kraftbegrenzereinheit kann ein Gehäuse vorgesehen sein, das zwei gegenüberliegende Seitenwände aufweist, an denen das Kraftwandelelement und das wenigstens eine Umlenkelement jeweils an entgegengesetzten axialen Enden befestigt sind. An einer der Seitenwände kann ein Aktuator zur Positionsveränderung des Kraftwandelelements angeordnet sein, der mit einem axialen Ende des Kraftwandelelements zusammenwirkt. Dieser Aufbau führt zu einer kompakten Kraftbegrenzereinheit, wobei der Aktuator direkt zur Positionsveränderung des Kraftwandelelements auf dieses einwirken kann. So erhält man eine kurze Wegstrecke der Krafteinwirkung ohne dass zwischengeschaltete Bauteile notwendig sind.
Es ist möglich, die Kraftbegrenzereinheit so auszulegen, dass die vorgegebene Auszugskraft variabel einstellbar ist, um z.B. eine passende Rückhaltewirkung für unterschiedlich große und schwere Fahrzeuginsassen und/oder in verschiedenen Rückhaltesituationen bereitzustellen. Hierzu wird vorzugsweise die vorgegebene Auszugskraft dadurch variabel eingestellt, dass die Position der Gurtführung am Kraftwandelelement, insbesondere ein Schrägstellungswinkel der Gurtbandführung, entsprechend gewählt wird.
Die oben genannte Aufgabe wird auch durch ein Sicherheitsgurtsystem mit einem Gurtaufroller, der Gurtband aufnimmt und ausgibt, und einer Kraftbegrenzereinheit gelöst, wie sie oben beschrieben wurde. Dabei ist die Kraftbegrenzereinheit im Gurtbandverlauf in Gurtbandauszugsrichtung vor dem Gurtaufroller angeordnet. Somit kann der Gurtaufroller durch die vorgeschaltete Kraftbegrenzereinheit überbrückt werden, sodass das Kraftniveau ausschließlich durch die Kraftbegrenzereinheit vorgegeben werden kann. Die Kraftbegrenzereinheit ist vorzugsweise zwischen dem Gurtaufroller und einer fahrzeugfesten Gurtumlenkung angeordnet. Die Kraftbegrenzereinheit sollte dabei fahrzeugfest montiert sein, sodass vom Gurtband übertragene Kräfte in eine starre Struktur des Fahrzeugs, beispielsweise in eine Fahrzeugsäule, eingeleitet werden.
Das Kraftwandelelement kann vom Gurtaufroller beabstandet in Gurtauszugsrichtung vor dem Gurtaufroller angeordnet sein. Somit lässt sich die Kraftbegrenzereinheit als vom Gurtaufroller separates Bauteil ausbilden, was zum einen den Vorteil hat, dass der im Fahrzeug vorhandene Bauraum besser ausgenutzt werden kann und zum anderen, dass die Kraftbegrenzereinheit einfach mit einer Vielzahl an unterschiedlichen Gurtaufrollern bzw. Aufrollerstraffern kombiniert werden kann.
Vorzugsweise ist die Kraftbegrenzereinheit ein separat vom Gurtaufroller vorgefertigtes Bauteil.
Das Kraftwandelelement kann insbesondere zwischen dem Gurtaufroller und einer Gurtumlenkung angeordnet sein.
Zur Montage der Kraftbegrenzereinheit wird das Gurtband durch die Kraftbegrenzereinheit geführt, sodass diese im Gurtbandverlauf liegt. Daraufhin wird die Kraftbegrenzereinheit an der gewünschten Position fahrzeugfest fixiert.
Es ist möglich, dass der Gurtaufroller ein eigenes Kraftbegrenzerelement aufweist, das ein niedrigeres Kraftniveau aufweist als die Kraftbegrenzereinheit. Hierbei kann es sich beispielsweise um einen Torsionsstab oder eine Wellscheibe handeln. Das Kraftniveau liegt beispielsweise bei 2 bis 4 kN.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand mehrerer Ausführungsbeispiele und mit Bezug auf die beigefügten Figuren näher beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:

- 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Sicherheitsgurtsystems mit einer erfindungsgemäßen Kraftbegrenzereinheit;
- 2 und 3 schematische perspektivische Darstellungen einer erfindungsgemäßen Kraftbegrenzereinheit gemäß einer ersten Ausführungsform;
- 4 eine schematische perspektivische Darstellung eines Kraftwandelelements der Kraftbegrenzereinheit der 2 und 3;
- 5 eine schematische Schnittansicht durch das Kraftwandelelement aus 4 im Bereich der Gurtbandführung;
- 6 eine schematische Darstellung der Aktivierung der Kraftbegrenzereinheit aus 1;
- 7 eine schematische perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen Kraftbegrenzereinheit gemäß einer zweiten Ausführungsform;
- 8 eine schematische Darstellung der Aktivierung der Kraftbegrenzereinheit aus 7;
- 9 eine schematische Darstellung des kraftbegrenzenden Gurtbandverlaufs einer erfindungsgemäßen Kraftbegrenzereinheit; und
- 10 eine diagrammatische Darstellung des einstellbaren Kraftniveaus der erfindungsgemäßen Kraftbegrenzereinheit.

1 zeigt ein Sicherheitsgurtsystem 10, beispielsweise in einem Personenkraftwagen, mit einem Gurtaufroller 12, der ein Gurtband 14 ausgeben und einziehen kann.
Das Gurtband 14 wird vom Gurtaufroller 12 über eine Gurtumlenkung zu einem Fahrzeuginsassen geführt, wie dies beispielsweise von einem normalen Dreipunktgurt bekannt ist (nicht dargestellt). Das Sicherheitsgurtsystem 10 könnte aber auch nur einen Beckengurt umfassen oder getrennte Becken- und Schultergurte haben.
Außerdem ist eine Kraftbegrenzereinheit 16 vorgesehen, die hier als vom Gurtaufroller 12 getrennte Einheit ausgebildet und dazu ausgelegt ist, eine vorgegebene Auszugskraft F₁ festzulegen, die eine Kraftschwelle bildet (hier auch als Kraftniveau F₁ bezeichnet), ab der das Gurtband 14 in eine Gurtauszugsrichtung R bewegt werden kann.
In 1 sind zwei der möglichen Positionen für die Kraftbegrenzereinheit 16 im Gurtbandverlauf dargestellt. In der Regel ist aber nur eine Kraftbegrenzereinheit 16 im Sicherheitsgurtsystem 10 vorhanden.
Zur Montage der Kraftbegrenzereinheit 16 im Sicherheitsgurtsystem 10 wird das Gurtband 14 durch die Kraftbegrenzereinheit 16 geführt und dann die Kraftbegrenzereinheit 16 fahrzeugfest an der gewünschten Position fixiert, beispielsweise durch Verschrauben an der Fahrzeugsäule, an der auch der Gurtaufroller 12 befestigt ist.
Die Kraftbegrenzereinheit 16 ist hier ein Stück beabstandet vom Gurtaufroller 12 in Gurtbandauszugsrichtung R vor dem Gurtaufroller 12 angeordnet. Sie könnte auch direkt an den Gurtaufroller 12 angebaut sein, jedoch vorzugsweise als separate Einheit, sodass sie mit beliebigen Gurtaufrollern 12 (inklusive eventuell vorhandener Gurtstraffer) kombinierbar ist. Im hier gezeigten Bespiel liegt die Kraftbegrenzereinheit 16 zwischen dem Gurtaufroller 12 und einer fahrzeugfesten Gurtumlenkung (nicht dargestellt.
Die Kraftbegrenzereinheit 16 umfasst ein Kraftwandelelement 18, das eine nicht kraftbegrenzende Stellung (siehe z.B. 5) und eine kraftbegrenzende Stellung (siehe z.B. 9) einnehmen kann.
In der nicht kraftbegrenzenden Stellung nimmt das Gurtband 14 einen geradlinigen normalen Gurtbandverlauf an, der in den 6, 8 und 9 mit einer gestrichelten Linie verdeutlicht ist. Im normalen Gurtbandverlauf verläuft das Gurtband 14 mit einer ersten Reibungskraft durch die Kraftbegrenzereinheit 16, wobei die erste Reibungskraft möglichst gering gewählt ist und ausschließlich durch nicht vermeidbare Kontakte des Gurtbandes 14 innerhalb der Kraftbegrenzereinheit 16 resultiert. Das Gurtband 14 verläuft im normalen Gurtbandverlauf gestreckt ohne jegliche Umlenkung und bildet so zwischen Eintritt in und Austritt aus der Kraftbegrenzereinheit 16 einen Winkel von 180°.
In der kraftbegrenzenden Stellung des Kraftwandelelements 18 verläuft das Gurtband 14 in einem kraftbegrenzenden Gurtbandverlauf durch die Kraftbegrenzereinheit 16, der in 9 verdeutlicht ist. Der kraftbegrenzende Gurtbandverlauf beschreibt zwischen dem Eintritt des Gurtbands 14 in die Kraftbegrenzereinheit 16 und dem Austritt des Gurtbands 14 aus der Kraftbegrenzereinheit 16 wenigstens eine Richtungsänderung (im hier dargestellten Beispiel insgesamt vier Richtungsänderungen), bei denen das Gurtband 14 in einem (von 180° verschiedenen) Winkel so über Bauteile der Kraftbegrenzereinheit 16 geführt ist, dass sich eine zweite, erhöhte Reibungskraft einstellt. Diese zweite Reibungskraft bestimmt das Kraftniveau F₁.
Die Stellung des Kraftwandelelements 18 ist in den hier gezeigten Beispielen der einzige Parameter, der verändert wird, um den Gurtbandverlauf vom normalen Gurtbandverlauf in den kraftbegrenzenden Gurtbandverlauf zu überführen.
In den hier gezeigten Ausführungsbeispielen ist das Kraftwandelelement 18 ein stabförmiges Bauteil, das um eine Drehachse 20 drehbar gelagert ist, die entlang der Längsrichtung des stabförmigen Bauteils verläuft.
Das Kraftwandelelement 18 weist eine Gurtbandführung 22 auf, die hier als Durchgangsöffnung im stabförmigen Bauteil ausgeführt ist, wobei die Drehachse 20 in der Durchgangsöffnung liegt.
Das Gurtband 14 verläuft sowohl in der nicht kraftbegrenzenden Stellung als auch in der kraftbegrenzenden Stellung durch die Gurtbandführung 22.
Es ist ein U-förmiges Gehäuse 24 vorgesehen, das zwei parallele Seitenwände 26 aufweist, die durch eine Bodenplatte 28 verbunden sind.
Die beiden axialen Enden des Kraftwandelelements 18 sind ein jeweils einer der Seitenwände 26 fixiert, sodass sich die Drehachse 20 zwischen den Seitenwände 26 und im Wesentlichen parallel zur Bodenplatte 28 erstreckt.
Zusätzlich zum Kraftwandelelement 18 sind in den hier gezeigten Ausführungsbeispielen zwei Umlenkelemente 30a, 30b vorgesehen. Die beiden Umlenkelemente 30a, 30b sind parallel zum Kraftwandelelement 18 angeordnet und ebenfalls an ihren axialen Enden an den beiden Seitenwände 26 fixiert.
Jedes der Umlenkelemente 30a, 30b weist eine gewölbte Umlenkfläche 32 auf, die jeweils auf der zum Gurtband 14 gerichteten Seite des Umlenkelements 30a, 30b angeordnet ist.
Beide Umlenkflächen 32 sind so positioniert, dass sie in etwa auf einer Geraden mit der Drehachse 20 liegen, also auf der den normalen Gurtbandverlauf bestimmenden Geraden oder mit einem geringfügigen Abstand dazu.
Dabei liegen die beiden Umlenkflächen 32 auf entgegengesetzten Seiten des Gurtbands 14 (siehe z.B. 6, 8 und 9).
Die Umlenkelemente 30a, 30b sind hier so am Gehäuse 24 montiert, dass die Umlenkfläche 32 gegenüber dem normalen Gurtbandverlauf und gegenüber dem Gehäuse 24 positionsfest bleibt, wenn das Kraftwandelelement 18 von der nicht kraftbegrenzenden Stellung in die kraftbegrenzende Stellung übergeht.
In einer ersten Variante, die in den 2, 3 und 6 bis 8 gezeigt ist, sind die beiden Umlenkelemente 30a, 30b komplett positionsfest mit dem Gehäuse 24 verbunden und bewegen sich weder beim Übergang des Kraftwandelelements 18 von der nicht kraftbegrenzenden Stellung in die kraftbegrenzende Stellung, noch wenn das Gurtband 14 in der kraftbegrenzenden Stellung durch die Kraftbegrenzereinheit 16 gezogen wird.
Im hier gezeigten Beispiel ist die vom Gurtband 14 weg weisende Seite beider Umlenkelemente 30a, 30b flach ausgebildet. Die Form dieser Seite spielt aber keine Rolle, da das Gurtband 14 nie damit in Kontakt kommt.
In einer zweiten Variante, die in 9 angedeutet ist, sind die beiden Umlenkelemente 30a, 30b durch drehbar gelagerte Rollen gebildet, wobei die Umlenkfläche 32 entlang der gesamten kreiszylindrischen Außenfläche des jeweiligen Umlenkelements 30a, 30b gebildet ist. Die Drehachse der Umlenkelemente 30a, 30b ist positionsfest am Gehäuse 24 montiert, sodass sich auch in diesem Fall die Position der Umlenkfläche 32 (insgesamt betrachtet) zwischen der nicht kraftbegrenzenden und der kraftbegrenzenden Stellung nicht verändert.
Der Verlauf des Gurtbands 14 über die Umlenkfläche 32 und der Winkel, um den das Gurtband 14 im kraftbegrenzenden Gurtbandverlauf durch die Umlenkflächen 32 umgelenkt wird, hängt von der Stellung des Kraftwandelelements 18 ab.
Generell gilt, dass sowohl das Kraftwandelelement 18 als auch die Umlenkelemente 30a, 30b so steif ausgelegt sind, dass ihre Verformung vernachlässigbar ist, wenn in der kraftbegrenzenden Stellung das Gurtband 14 durch die Kraftbegrenzereinheit 16 gezogen wird.
Um das Kraftwandelelement 18 aus der nicht kraftbegrenzenden Stellung in die kraftbegrenzende Stellung zu überführen, wird es in den hier gezeigten Beispielen um seine Drehachse 20 gedreht, sodass sich die Gurtbandführung 22 gegenüber dem normalen Gurtbandverlauf schräg stellt (siehe z.B. 9).
Das Kraftwandelelement 18 wird dabei nur um einen Teil einer vollen Umdrehung verdreht, beispielsweise zwischen etwa 30° und 180°, insbesondere um etwa 70° bis 120°. 9 zeigt eine Verdrehung des Kraftwandelelements 18 um einen Winkel ε von knapp 90°.
Da das Gurtband 14 durch die Gurtbandführung 22 verläuft, wird es beim Verdrehen des Kraftwandelelements 18 mitgenommen und läuft im kraftbegrenzenden Gurtbandverlauf mit einem anderen Winkel α über die Umlenkflächen 32 und einem anderen Winkel β durch die Gurtbandführung 22 als im normalen Gurtbandverlauf. Insgesamt sind hier vier Richtungsänderungen mit unterschiedlichen Winkeln α und β über die Umlenkflächen 32 und durch die Gurtbandführung 22 vorgesehen, wie in 9 dargestellt ist. Somit ergibt sich ein Gesamt-Umschlingungswinkel γ = 2α + 2β.
Dabei kommt das Gurtband 14 in Kontakt mit den Umlenkflächen 32, den Innenwänden der Gurtbandführung 22 und der Außenoberfläche 34 des Kraftwandelelements 18, sodass eine erhöhte zweite Reibungskraft zwischen den Umlenkelementen 30a, 30b, dem Kraftwandelelement 18 und dem Gurtband 14 entsteht.
Die so erzeugte zweite Reibungskraft entspricht der vorgegebenen Auszugskraft F₁ und erlaubt eine Bewegung des Gurtbands 14 relativ zum Kraftwandelelement 18 erst ab Überschreiten dieser Kraftschwelle. Ist die am Gurtband 14 in Gurtauszugsrichtung R wirkende Kraft höher, so gleitet das Gurtband 14 durch die Durchgangsöffnung relativ zum Kraftwandelelement 18, wobei die wirkende Reibung den Gurtbandauszug bremst. Unterhalb der vorgegebenen Auszugskraft F₁ blockiert das Kraftwandelelement 18 eine Bewegung des Gurtbands 14 hier vollständig.
Die vorgegebene Auszugskraft F₁ hängt vom Gesamt-Umschlingungswinkel γ ab. Dieser ergibt sich unter anderem aus dem Durchmesser d des Kraftwandelelement 18, der Höhe h der Gurtbandführung 22 und dem Radius r der Kanten des Übergangs der Gurtbandführung 22 zur Außenoberfläche 34 des Kraftwandelelement 18 (siehe 5). Außerdem spielen der Krümmungsradius der Umlenkfläche 32, die Distanz der Umlenkfläche 32 zur Drehachse 20 des Kraftwandelelements 18 sowie natürlich der Verdrehwinkel des Kraftwandelelements 18 um die Drehachse 20 eine Rolle. Generell steigt die vorgegebene Auszugskraft F₁ mit steigendem Umschlingungswinkel γ an, wobei ein exponentieller Zusammenhang ermittelt wurde.
An einer der beiden Seitenwände 26 des Gehäuses 24 der Kraftbegrenzereinheit 16 ist hier ein Aktuator 36 angeordnet, der mit einer Antriebsstruktur 38 am Kraftwandelelement 18 zusammenwirkt.
Der Aktuator 36 ist in diesem Beispiel ein pyrotechnischer Aktuator, der eine bewegliche Masse 40 aufweist, die bei einer Aktivierung des Aktuators 36 durch unter Druck stehendes Gas beschleunigt wird. Die bewegliche Masse 40 wirkt direkt auf die Antriebsstruktur 38 ein und überträgt so Bewegungsenergie bzw. Impuls auf das Kraftwandelelement 18. Die bewegliche Masse 40 ist beispielsweise eine sogenannte Snake aus verformbarem Material, eine Zahnstange oder eine Reihe von Kugeln.
Die Antriebsstruktur 38 ist in den hier gezeigten Beispielen eine Verzahnung 42 an einem axialen Ende des Kraftwandelelements 18.
Es ist möglich, dass die bewegliche Masse 40 vor der Aktivierung des Aktuators 36 bereits in Kontakt mit der Antriebsstruktur 38 ist und so das Kraftwandelelement 18 an einer ungewollten Bewegung hindert.
Die Verzahnung 42 erstreckt sich nur über einen Teil des Umfangs des Kraftwandelelements 18, beispielsweise über etwa 180°, entsprechend dem maximalen Verdrehwinkel des Kraftwandelelements 18 aus der nicht kraftbegrenzenden Stellung in die kraftbegrenzende Stellung.
In den hier gezeigten Beispielen ist die vorgegebene Auszugskraft F₁ stufenlos einstellbar, beispielsweise zwischen einem Kraftniveau von 3 kN bis 8 kN, insbesondere zwischen 6 kN und 8 kN oder zwischen 5,5 kN und 7,5 kN.
Um dies zu erreichen, wird der Verdrehwinkel des Kraftwandelelement 18 vorgegeben. Hierzu wird die Position eines Anschlagselements 44 eingestellt, das das Kraftwandelelement 18 nach einer vorgegebenen Rotation stoppt und an einer Weiterbewegung hindert.
In einer ersten Ausführungsform, die in den 2, 3 und 6 dargestellt ist, ist das Anschlagselement 44 als Vorsprung am Gehäuse 24 ausgebildet. Dieser Vorsprung wird bei der Fertigung der Kraftbegrenzereinheit 16 an einer vorgegebenen Stelle im Gehäuse 24 positioniert, beispielsweise als Prägung, wenn das Gehäuse 24 aus Metallblech besteht. Die gewünschte Position des Anschlagselements 44 wird beispielsweise gemäß gesetzlicher Vorgaben ermittelt, die abhängig vom Land, in dem das Fahrzeug zum Einsatz kommen soll, variieren können. Die Position des Anschlagselements 44 ist nachträglich nicht mehr veränderbar, sodass auch das Kraftniveau F₁ während des Betriebs des Fahrzeugs nicht veränderbar ist.
Am Außenumfang des Kraftwandelelements 18 ist ein Anschlag 46 angeordnet, der nach der vorgegebenen Rotation des Kraftwandelelements 18 in Anlage an das Anschlagselement 44 kommt und so die Bewegung des Kraftwandelelements 18 stoppt.
Im hier gezeigten Beispiel ist der Anschlag 46 durch den letzten Zahn der Verzahnung 42 realisiert.
In einer zweiten Ausführungsform, die in den 7 und 8 dargestellt ist, ist das Anschlagselement 44 ein Vorsprung, der an einer drehbaren Welle 47 angeordnet, die koaxial mit der Drehachse 20 des Kraftwandelelement 18 ist. Die Welle 47 ist mit einem Verstellantrieb 48 verbunden, hier einem Elektromotor, der die Welle 47 um einen gewünschten Winkel drehen kann. Eine Steuereinheit 50 gibt sowohl den Verdrehwinkel der Welle 47 als auch den Zeitpunkt zum Verstellen des Anschlagselements 44 vor. Die Steuereinheit 50 kann z.B. Teil der Kraftbegrenzereinheit 16 sein, Teil des Gurtaufrollers 12 oder Teil einer allgemeinen Fahrzeugelektronik.
Der Verstellantrieb 48 ist hier so ausgelegt, dass er, wenn er nicht in Betrieb ist, die Welle 47 positionsfest hält, um eine ungewollte Verstellung des Anschlagselements 44 zu verhindern.
Wie in der ersten Ausführungsform ist ein Anschlag 46 am Kraftwandelelement 18 vorgesehen, der auch hier am Umfang des Kraftwandelelements 18 an der gleichen axialen Position wie die Verzahnung 42 angeordnet ist. In diesem Beispiel ist der Anschlag 46 ein radialer Vorsprung, der in Umfangsrichtung beabstandet von der Verzahnung 42 positioniert ist.
Über den Verstellantrieb 48 wird das Anschlagselement 44 in einer Winkelstellung positioniert, die dem Verdrehwinkel des Kraftwandelelements 18 entspricht, der die gewünschte vorgegebene Auszugskraft F₁ liefert.
Das Anschlagselement 44 kann im laufenden Betrieb des Fahrzeugs bewegt werden. Dies kann beispielsweise zu Beginn einer Fahrt geschehen, wenn Parameter des Insassen wie z.B. dessen Gewicht und Größe ermittelt werden, die in die Berechnung einer passenden vorgegebenen Auszugskraft F₁ eingehen.
Es ist aber auch möglich, eine Einstellung der Position des Anschlagselements 44 erst kurz vor oder bei Beginn einer Rückhaltesituation vorzunehmen.
Auch weitere Parameter, etwa Art und Schwere der bevorstehenden Rückhaltesituation können gegebenenfalls berücksichtigt werden.
Der Gurtaufroller 12 kann ein weiteres, generell bekanntes Kraftbegrenzungselement aufweisen (nicht näher dargestellt), beispielsweise einen Torsionsstab oder eine Wellscheibe. Dieses liefert ein erstes Kraftniveau F₀ für eine Gurtauszugskraft. Das Kraftniveau F₁ ist höher gewählt als das Kraftniveau F₀ (siehe 10).
Im normalen Betrieb des Sicherheitsgurtsystems 10 verläuft das Gurtband 14 im Wesentlichen frei durch die Kraftbegrenzereinheit 16 auf dem normalen Gurtbandverlauf.
Bei einer Kraftbegrenzung spricht in der Regel zunächst das Kraftbegrenzungselement des Gurtaufrollers 12 an, während die Kraftbegrenzereinheit 16 noch nicht aktiviert ist, sodass bei Überschreiten des Kraftniveaus F₀ ein erster Gurtbandauszug erfolgt.
Wird ein Zustand festgestellt, in dem eine Gurtauszugskraft bis zu einem höheren Kraftniveau F₁ begrenzt werden soll, so aktiviert die Steuereinheit 50 den Aktuator 36. Die bewegliche Masse 40 wirkt auf das Kraftwandelelement 18 ein und dreht dieses um den vorgegebenen Winkel, bis das Kraftwandelelement 18 seine kraftbegrenzende Stellung einnimmt.
Das Gurtband 14 verläuft jetzt unter hoher Reibung mit der zweiten Reibungskraft auf dem kraftbegrenzenden Gurtbandverlauf durch die Kraftbegrenzereinheit 16, sodass es relativ zur Kraftbegrenzereinheit 16 erst bei Überschreiten der vorgegebenen Auszugskraft F₁ bewegt werden kann. Ab diesem Moment wird die Gurtauszugskraft ausschließlich durch die Kraftbegrenzereinheit 16 und deren Kraftniveau F₁ bestimmt.
Anstelle des gezeigten Aktuators 36 könnte das Kraftwandelelement 18 auch auf andere Weise aus der nicht kraftbegrenzenden Stellung in die kraftbegrenzende Stellung bewegt werden, beispielsweise durch eine (gegebenenfalls aktuatorbetätigte) Federmechanik.
Die Merkmale, die die Gestaltung des kraftbegrenzenden Gurtbandverlaufs mit einem einzigen positionsveränderlichen Kraftwandelelement 18 und einer oder mehreren positionsfesten Umlenkelementen 30a, 30b betreffen, sowie die Merkmale, die die Art der Aktivierung der Kraftbegrenzereinheit 16 mit einem einstellbaren Anschlagselement 44 betreffen, lassen sich auch unabhängig voneinander verwirklichen.

Claims

Kraftbegrenzereinheit (16) eines Sicherheitsgurtsystems (10) mit wenigstens einem Kraftwandelelement (18), das dazu ausgelegt ist, mit einem Gurtband (14) des Sicherheitsgurtsystems (10) zusammenzuwirken und das eine positionsveränderliche Gurtbandführung (22) aufweist, wobei das Kraftwandelelement (18) eine nicht kraftbegrenzende Stellung und eine kraftbegrenzende Stellung einnehmen kann und wobei für das Gurtband (14) ein normaler Gurtbandverlauf durch die Kraftbegrenzereinheit (16) vorgesehen ist, in dem das Kraftwandelelement (18) in der nicht kraftbegrenzenden Stellung ist und das Gurtband (14) mit einer ersten Reibungskraft durch die Kraftbegrenzereinheit (16) verläuft, während in der kraftbegrenzenden Stellung des Kraftwandelelements (18) das Gurtband (14) mit einer zweiten, gegenüber der ersten Reibungskraft erhöhten Reibungskraft durch die Gurtbandführung (22) verläuft, wobei in der kraftbegrenzenden Stellung das Kraftwandelelement (18) eine vorgegebene Auszugskraft (F₁) vorgibt, die notwendig ist, um das Gurtband (14) in einer Gurtbandauszugsrichtung (R) durch die Kraftbegrenzereinheit (16) zu bewegen, wobei die Kraftbegrenzereinheit (16) wenigstens ein Umlenkelement (30a, 30b) mit einer positionsfesten Umlenkfläche (32) umfasst, das im Gurtbandverlauf vor oder hinter dem Kraftwandelelement (18) angeordnet ist, wobei die Umlenkfläche (32) in der kraftbegrenzenden Stellung des Kraftwandelelements (18) eine Umlenkung für das Gurtband (14) bildet, sodass das Gurtband (14) in der kraftbegrenzenden Stellung des Kraftwandelelements (18) mit einem anderen Winkel über die Umlenkfläche (32) verläuft als in der nicht kraftbegrenzenden Stellung des Kraftwandelelements (18).
Kraftbegrenzereinheit (16) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Umlenkelement (30a, 30b) ein unbeweglich an einem Gehäuse (24) der Kraftbegrenzereinheit (16) fixiertes Bauteil oder eine Rolle ist, die drehbar am Gehäuse (24) angeordnet ist.
Kraftbegrenzereinheit (16) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Umlenkelemente (30a, 30b) vorgesehen sind, die im Gurtbandverlauf vor und nach dem Kraftwandelelement (18) angeordnet sind, wobei insbesondere die Umlenkfläche (32) eines der Umlenkelemente (30a, 30b) auf einer Seite des Gurtbands (14) und die Umlenkfläche (32) des anderen Umlenkelements (30b, 30a) auf einer entgegengesetzten Seite des Gurtbands (14) liegt.
Kraftbegrenzereinheit (16) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gurtbandführung (22) eine Durchgangsöffnung im Kraftwandelelement (18) umfasst.
Kraftbegrenzereinheit (16) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftwandelelement (18) um eine Drehachse (20) in die kraftbegrenzende Stellung dreh- oder schwenkbar angeordnet ist.
Kraftbegrenzereinheit (16) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehachse (20) innerhalb der Durchgangsöffnung liegt.
Kraftbegrenzereinheit (16) nach einem der Ansprüche 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftwandelelement (18) um einen Winkel (ε) zwischen 30° und 180°, insbesondere zwischen 70° und 120°, um die Drehachse (20) bewegbar ist.
Kraftbegrenzereinheit (16) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gehäuse (24) vorgesehen ist, mit zwei gegenüberliegenden Seitenwänden (26), an denen das Kraftwandelelement (18) und das wenigstens eine Umlenkelement (30a, 30b) jeweils an entgegengesetzten axialen Enden befestigt sind, wobei an einer Seitenwand (26) ein Aktuator (36) zur Positionsveränderung des Kraftwandelelements (18) angeordnet ist, der mit einem axialen Ende des Kraftwandelelements (18) zusammenwirkt.
Sicherheitsgurtsystem (10) mit einer Kraftbegrenzereinheit (16) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und einem Gurtaufroller (12), wobei die Kraftbegrenzereinheit (16) im Gurtbandverlauf in Gurtauszugsrichtung (R) vor dem Gurtaufroller (12) angeordnet ist.
Sicherheitsgurtsystem (10) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Gurtaufroller (12) ein Kraftbegrenzerelement aufweist, das eine niedrigere Kraftschwelle aufweist als die Kraftbegrenzereinheit (16).