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Die Erfindung betrifft eine Triebfeder für einen Gurtaufroller, mit einem bandförmigen Federkörper, der im entspannten Zustand im Wesentlichen S-förmig verläuft. Dabei weisen ein erstes Ende des Federkörpers und ein zweites Ende des Federkörpers jeweils einen schneckenförmig gewickelten Abschnitt des Federkörpers auf. Zudem ist das zweite Ende dem ersten Ende entgegengesetzt. Auch ist eine Wicklungsrichtung am zweiten Ende einer Wicklungsrichtung am ersten Ende entgegengesetzt.
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Ferner betrifft die Erfindung einen Gurtaufroller für eine Sicherheitsgurteinrichtung eines Fahrzeugs, mit einer Gurtspule, die um eine Mittelachse drehbar in einem Gurtaufrollergehäuse gelagert ist, und einer Triebfeder zur rotatorischen Rückstellung der Gurtspule in eine Ruhestellung. Dabei weist die Triebfeder in ihrem im Gurtaufroller montierten Zustand mehrere Windungen auf, die im Wesentlichen schneckenförmig geschachtelt verlaufen. Ein inneres Ende der Triebfeder ist mit der Gurtspule verbunden und ein äußeres Ende der Triebfeder, das dem ersten Ende entgegengesetzt ist, ist mit dem Gurtaufrollergehäuse verbunden.
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Solche Triebfedern und derartige Gurtaufroller sind aus dem Stand der Technik bekannt. Sie dienen einerseits dazu, ein Gurtband in seinem aufgewickelten Ruhezustand unter Vorspannung innerhalb des Gurtaufrollers zu halten. Andererseits dienen sie dazu, ein Rückstellmoment in die Gurtspule einzubringen, sodass ein Gurtband ausgehend von einem abgewickelten Zustand wieder in seine Ruhestellung überführt werden kann. Dabei schließt ein S-förmiger Verlauf des Federkörpers selbstverständlich auch einen spiegelverkehrten, S-förmigen Verlauf mit ein.
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Nachdem Triebfedern und Gurtaufroller meist in Automobilen verwendet werden, unterliegen sie einem hohen Kostendruck. Gleichzeitig bestehen höchste Anforderungen an die Zuverlässigkeit und Lebensdauer der Triebfedern und Gurtaufroller.
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Vor diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der Erfindung, Triebfedern der eingangs genannten Art und Gurtaufroller der eingangs genannten Art weiter zu verbessern. Dabei sollen insbesondere Triebfedern und Gurtaufroller geschaffen werden, die einfach und kostengünstig herstellbar sowie gleichzeitig zuverlässig und langlebig im Betrieb sind.
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Die Aufgabe wird durch eine Triebfeder der eingangs genannten Art gelöst, bei der ein Verlauf des Kehrwerts des Krümmungsradius des Federkörpers über eine Länge des Federkörpers einen Wendepunkt aufweist. Dabei wird fachsprachlich der Kehrwert des Krümmungsradius häufig auch schlicht als Krümmung bezeichnet. Der Wendepunkt ist im mathematischen Sinne zu verstehen. Das bedeutet, dass sich in einem Diagramm, in dem der Kehrwert des Krümmungsradius über der Länge des Federkörpers aufgetragen ist, im Wendepunkt das Vorzeichen der zweiten Ableitung des Krümmungsradius über der Länge ändert. Der den Krümmungsradius repräsentierende Graph wechselt im Wendepunkt also entweder von einer Rechtskurve in eine Linkskurve oder umgekehrt. Die vorgenannten Eigenschaften zeigen sich im entspannten Zustand der Feder, der gleichzeitig ein Zustand ist, in dem die Feder nicht in einem Gurtaufroller montiert ist. Dabei verursachen solche Triebfedern bei einer Verwendung in einem Gurtaufroller vergleichsweise wenig Reibung, da die Abschnitte solcher Triebfedern nicht oder zumindest nur geringfügig aneinander anliegen. Gleichzeitig lässt sich mit solchen Triebfedern ein Rückstellmoment bereitstellen, das gegenüber bekannten Triebfedern eine vergleichsweise geringe Hysterese aufweist. Dadurch sind erfindungsgemäße Triebfedern besonders langlebig und besonders zuverlässig im Betrieb. Ferner können erfindungsgemäße Triebfedern aus diesen Gründen bei gleichbleibender Funktion gegenüber Triebfedern aus dem Stand der Technik schwächer und/oder kürzer ausgeführt werden. Dadurch sinkt auch ein zugeordneter Herstellungsaufwand. Mit anderen Worten sind die Triebfedern einfach und kostengünstig herstellbar.
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Bevorzugt verläuft an beiden Enden des Federkörpers jeweils zumindest eine Windung des schneckenförmig gewickelten Abschnitts gegenüber ihren benachbarten Windungen radial zu einer zugehörigen Wickelachse berührungsfrei. Insbesondere verlaufen an beiden Enden des Federkörpers alle Windungen gegenüber ihren jeweils benachbarten Windungen radial zu einer zugehörigen Wickelachse berührungsfrei. Auch das trägt dazu bei, dass die Abschnitte der Triebfeder bei einer Verwendung in einem Gurtaufroller nur geringfügig oder überhaupt nicht miteinander in Reibkontakt kommen. Auch wird durch diese Konfiguration eine vergleichsweise kleine Hysterese in der Bereitstellung des Rückstellmoments verursacht.
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Zudem wird die Aufgabe durch einen Gurtaufroller der eingangs genannten Art gelöst, bei dem die Triebfeder im Wesentlichen konzentrisch zur Mittelachse angeordnet ist. Aufgrund der Tatsache, dass die Triebfeder zur Rückstellung der Gurtspule in ihre Ruhestellung verwendet wird, kann diese alternativ auch als Rückstellfeder bezeichnet werden. Eine konzentrische Anordnung ist in diesem Zusammenhang weit zu verstehen. Insbesondere sind dabei die aus der Schneckenform resultierenden Abweichungen von einer strengen Konzentrizität zu vernachlässigen. Auch Anschlussstücke der Triebfeder, die zur Verbindung derselben mit der Gurtspule oder dem Gurtaufroller vorgesehen sind, verlaufen in der Regel nicht perfekt konzentrisch. Die konzentrische Anordnung gilt also global für die Triebfeder, nicht jedoch für jedes Detail derselben. Bei einem solchen Gurtaufroller weist das auf die Gurtspule wirkende Rückstellmoment nur eine geringe Hysterese auf. Das bedeutet, dass beim Abwickeln eines Gurtbands von der Gurtspule im Wesentlichen derselbe Rückstellmomentenverlauf überwunden werden muss, der beim Freigeben eines abgewickelten Gurtbandes auf dieses wirkt und es in den aufgewickelten Zustand zurückführt. Das ist dadurch begründet, dass die einzelnen Windungen der Triebfeder sich überhaupt nicht oder nur geringfügig berühren. Dadurch tritt im Betrieb des Gurtaufrollers nur wenig Reibung zwischen benachbarten Abschnitten der Triebfeder auf. Darüber hinaus wird aufgrund dieses Effekts eine von der Triebfeder bereitgestellte Federkraft besonders effizient in ein auf die Gurtspule wirkendes Rückstellmoment bzw. eine auf ein mit der Gurtspule verbundenes Gurtband wirkende Rückstellkraft umgesetzt. Im Vergleich zum Stand der Technik kann der Gurtaufroller daher bei gleichbleibender Wirkung mit einer kleineren und damit leichteren Triebfeder ausgestattet werden. Dadurch sinkt der Aufwand für die Herstellung des Gurtaufrollers. Gleichzeitig kann der Gurtaufroller kleiner und leichter gebaut werden. Ferner bewirkt die Abwesenheit des oben beschriebenen Reibungseffekts eine hohe Zuverlässigkeit und Lebensdauer des Gurtaufrollers.
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Gemäß einer Ausführungsform verläuft zumindest eine der Windungen gegenüber ihren benachbarten Windungen in Radialrichtung berührungsfrei. Insbesondere verlaufen alle Windungen gegenüber ihren jeweils benachbarten Windungen in Radialrichtung berührungsfrei. Dabei bedeutet berührungsfrei, dass die Windungen in Radialrichtung nicht miteinander in Kontakt stehen. Die Radialrichtung bezieht sich dabei auf eine Wickelachse, die im vorliegenden Fall mit der Mittelachse der Gurtspule zusammenfällt. Auch aus dieser Konfiguration resultiert gegenüber bekannten Gurtaufrollern eine zumindest stark reduzierte, wenn nicht vollständig eliminierte Reibung zwischen einzelnen Windungen der Triebfeder. Es ergeben sich die bereits erwähnten Effekte einer einfachen und kostengünstigen Herstellung sowie einer hohen Lebensdauer und Zuverlässigkeit des Gurtaufrollers in besonderem Maße.
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Die Triebfeder kann sowohl in einer Ruhestellung der Gurtspule, die einer eingezogenen Position eines mit der Gurtspule koppelbaren Gurtbandes entspricht, als auch in einer Betriebsstellung, die einer ganz oder teilweise ausgezogenen Position des mit der Gurtspule koppelbaren Gurtbandes entspricht, konzentrisch zur Mittelachse angeordnet sein. Alternativ oder zusätzlich verläuft zumindest eine der Windungen sowohl in der Ruhestellung als auch in der Betriebsstellung in Radialrichtung berührungsfrei. Mit anderen Worten bleiben die konzentrische Anordnung und/oder die radiale Berührungsfreiheit unabhängig von einer Drehposition der Gurtspule und damit unabhängig von einer Position des mit der Gurtspule koppelbaren Gurtbandes über alle im Betrieb des Gurtaufrollers auftretenden Situationen erhalten. Es ergeben sich daraus die bereits beschriebenen Effekte und Vorteile.
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Bevorzugt ist die Gurtspule in der Ruhestellung durch die Triebfeder mit einem Vorspannungsmoment beaufschlagt. Dadurch werden in der Ruhestellung die Gurtspule und ein gegebenenfalls mit der Gurtspule verbundenes Gurtband in einer definierten Drehstellung gehalten. Vorzugsweise wird dabei das Vorspannungsmoment dadurch generiert, dass die Gurtspule in ihrer Ruhestellung um 5 bis 15, vorzugsweise um 8 bis 12, Umdrehungen entgegen der Kraft der Triebfeder verdreht ist. Dadurch ist der Gurtaufroller zuverlässig und langlebig im Betrieb.
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Auch kann die Gurtspule in der Betriebsstellung durch die Triebfeder mit einem Rückstellmoment beaufschlagt sein, das in Richtung der Ruhestellung wirkt. Das Rückstellmoment dient dazu, die Gurtspule und ein gegebenenfalls mit der Gurtspule gekoppeltes Gurtband ausgehend von einer Betriebsstellung, in der das Gurtband zumindest abschnittsweise von der Gurtspule abgewickelt ist, wieder in die Ruhestellung zu überführen. Dafür muss das Gurtband lediglich freigegeben werden. Auch dies dient einer zuverlässigen und langlebigen Funktion des Gurtaufrollers.
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Vorteilhafterweise verläuft dabei eine Drehmomentkennlinie der Triebfeder in Abhängigkeit von Umdrehungen der Gurtspule, die einem Betriebsbereich zugeordnet sind, degressiv. In einem Diagramm, in dem ein auf die Gurtspule wirkendes Drehmoment, insbesondere ein Rückstellmoment, über diejenigen Umdrehungen der Gurtspule aufgetragen ist, die diese im Betrieb ausführt, verläuft also der das Drehmoment repräsentierende Graph degressiv. Das bedeutet, dass der aus jeder zusätzlichen Umdrehung der Gurtspule resultierende Zuwachs des Rückstellmoments mit einer steigenden Anzahl an Umdrehungen abnimmt. Dadurch ergibt sich für einen Nutzer des Gurtaufrollers ein komfortables und als angenehm empfundenes Verhalten des Gurtaufrollers. Bekannte Gurtaufroller weisen in diesem Zusammenhang häufig eine lineare Drehmomentkennlinie auf, sodass ein mit der Gurtspule gekoppeltes Gurtband häufig als schwergängig wahrgenommen wird, wenn bereits signifikante Anteile desselben von der Gurtspule abgewickelt sind.
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Der Gurtaufroller kann mit einer erfindungsgemäßen Triebfeder ausgestattet sein. Es ergeben sich somit die bereits hinsichtlich der Triebfeder erläuterten Effekte und Vorteile einer hohen Zuverlässigkeit und Lebensdauer bei geringem Herstellungsaufwand auch für den Gurtaufroller.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert, das in den beigefügten Zeichnungen gezeigt ist. Es zeigen:
- - 1 eine erfindungsgemäße Triebfeder in einem entspannten, nicht in einem Gurtaufroller verbauten Zustand,
- - 2 ein Detail II der Triebfeder aus 1,
- - 3 einen Verlauf eines Krümmungsradius (durchgezogene Line) und eines Kehrwerts des Krümmungsradius (gestrichelte Linie) über einer Länge der erfindungsgemäßen Triebfeder aus den 1 und 2,
- - 4 einen Verlauf eines Durchmessers der erfindungsgemäßen Triebfeder über ihre Länge während eines ersten Herstellungsschritts (durchgezogene Linie) und einen Verlauf eines Durchmessers der erfindungsgemäßen Triebfeder über ihre Länge während eines zweiten Herstellungsschritts (gestrichelte Linie),
- - 5 einen Verlauf eines Krümmungsradius der erfindungsgemäßen Triebfeder über ihrer Länge nach Abschluss des ersten Herstellungsschritts und vor Beginn des zweiten Herstellungsschritts,
- - 6 einen erfindungsgemäßen Gurtaufroller in einer Seitenansicht, wobei ein Deckel abgenommen ist, sodass eine im Gurtaufroller verbaute Triebfeder sichtbar ist, und
- - 7 einen Verlauf eines auf eine Gurtspule des Gurtaufrollers aus 6 wirkenden Drehmoments in Abhängigkeit einer Drehstellung der Gurtspule.
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1 zeigt eine erfindungsgemäße Triebfeder 10 in einem entspannten Zustand, in dem sie nicht in einem Gurtaufroller verbaut ist.
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Die Triebfeder 10 umfasst einen bandförmigen Federkörper 12, der in der dargestellten Perspektive im Wesentlichen in der Form eines spiegelverkehrten S verläuft, also S-förmig ist.
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Dabei ist ein erstes Ende 14 des Federkörpers 12 dazu vorgesehen, an einer Gurtspule befestigt zu werden.
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Ein zweites Ende 16 (siehe auch 2) ist dazu vorgesehen, an einem Gurtaufrollergehäuse befestigt zu werden.
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Dabei weist das erste Endes 14 einen Abschnitt 18 auf, der bezüglich einer ersten Wickelachse 18a schneckenförmig gewickelt ist. Alle Windungen dieses Abschnitts 18 verlaufen gegenüber ihren jeweils benachbarten Windungen radial berührungsfrei, wobei die Wickelachse 18a als Bezugsgeometrie für die radiale Berührungsfreiheit dient.
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Das zweite Ende 16 weist einen Abschnitt 20 auf, der bezüglich einer zweiten Wickelachse 20a schneckenförmig gewickelt ist. Auch alle Windungen des Abschnitts 20 verlaufen gegenüber ihren jeweils benachbarten Windungen bezüglich der Wickelachse 20a radial berührungsfrei.
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Die Wickelrichtungen der Abschnitte 18 und 20 sind entgegengesetzt orientiert.
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Der genaue Verlauf des Krümmungsradius r des Federkörpers 12 über seiner Länge I ist in 3 mittels einer durchgezogenen Linie dargestellt. Dabei ist die Länge I des Federkörpers 12 in Prozentwerten aufgetragen. Die Längenangabe 0 % entspricht dem zweiten Ende 16 und die Längenangabe 100 % dem ersten Ende 14.
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Die entgegengesetzten Wickelrichtungen der Abschnitte 18 und 20 manifestieren sich im Diagramm der 3 dadurch, dass die Radien r an den Enden 14, 16 mit unterschiedlichen Vorzeichen behaftet sind.
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An derjenigen Stelle, an der die Länge I ca. 70 % beträgt, ist der Radius r unendlich. Dies entspricht dem im Wesentlichen gerade verlaufenden Abschnitt in der Mitte des S-förmigen Federkörpers 12.
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Darüber hinaus ist im Diagramm der 3 mit einer gestrichelten Linie ein Verlauf des Kehrwerts k des Krümmungsradius r über der Länge I des Federkörpers 12 aufgetragen. Dieser Kehrwert k wird im Folgenden als Krümmung bezeichnet.
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Der die Krümmung repräsentierende Graph weist bei einer Länge I von ca. 30 % einen Wendepunkt 22 auf. Ausgehend von einer Länge von 0 % geht im Wendepunkt 22 der die Krümmung repräsentierende Graph also von einer Linkskurve in eine Rechtskurve über.
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Im Folgenden wird die Herstellung einer derartigen Triebfeder 10 anhand der 4 und 5 erläutert.
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In diesem Zusammenhang wird ein bandförmiges Ausgangsmaterial des Federkörpers 12 zunächst derart um einen ersten Dorn gewickelt, dass sich der in der 4 mit einer durchgezogenen Linie aufgetragene Durchmesserverlauf D1 über die Länge I des Federkörpers 12 ergibt.
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Dabei entspricht wieder eine Länge I von 0 % dem zweiten Ende 16 und eine Länge I von 100 % dem ersten Ende 14.
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Der Federkörper 12 kann dabei so auf den ersten Dorn aufgewickelt werden, dass sich benachbarte Wicklungen zumindest teilweise überlappen.
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Als Ergebnis dieses ersten Herstellungsschritts weist der Federkörper 12 in einem Zwischenzustand einen Krümmungsradius r mit kontinuierlichem Verlauf auf, der in 5 dargestellt ist. Aufgrund des sich kontinuierlich vergrößernden Krümmungsradius r kann der Federkörper 12 in diesem Zwischenzustand auch als konisch bezeichnet werden.
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In einem zweiten Herstellungsschritt wird der Federkörper 12 mit dem Krümmungsradius r gemäß 5 in entgegengesetzter Richtung (negative Durchmesserwerte) auf einen zweiten Dorn aufgewickelt, sodass sich der Durchmesserverlauf D2 ergibt, der in 4 mit einer gestrichelten Linie dargestellt ist.
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Als Ergebnis des zweiten Herstellungsschritts ergibt sich die Triebfeder 10 gemäß der 1 und 2.
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6 zeigt einen Gurtaufroller 24 für eine Sicherheitsgurteinrichtung eines Fahrzeugs. Dieser ist im dargestellten Ausführungsbeispiel mit einer Triebfeder 10 gemäß 1 und 2 ausgestattet.
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Dabei ist das erste Ende 14 mit einer Gurtspule 26 verbunden, die um eine Mittelachse 26a drehbar in einem Gurtaufrollergehäuse 28 gelagert ist.
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Das erste Ende 14 stellt somit im montierten Zustand ein inneres Ende 14i der Triebfeder 10 dar.
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Das zweite Ende 16 ist mit dem Gurtaufrollergehäuse 28 verbunden. Das zweite Ende 16 stellt somit im montierten Zustand ein äußeres Ende 16a der Triebfeder 10 dar.
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Zwischen den beiden Enden 14i, 16a weist die Triebfeder 10 mehrere Windungen 30 auf, die im Wesentlichen schneckenförmig geschachtelt verlaufen.
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Um dies zu erreichen, wird die Triebfeder 10 ausgehend von ihrem in der 1 dargestellten, entspannten Zustand entgegen ihres Krümmungsradius schneckenförmig gewickelt.
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Dabei verlaufen alle Windungen 30 gegenüber ihren jeweils benachbarten Windungen in Radialrichtung, d.h. radial bezüglich der Mittelachse 26a, berührungsfrei.
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Aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit sind in der 6 die Windungen lediglich insgesamt mit dem Bezugszeichen 30 versehen.
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Die Triebfeder 10 ist im Wesentlichen konzentrisch zur Mittelachse 26a angeordnet. Das gilt auch für den Federkörper 12, der global gesehen ebenfalls im Wesentlichen konzentrisch zur Mittelachse 26a angeordnet ist.
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Die Triebfeder 10 dient der rotatorischen Rückstellung der Gurtspule 26 in eine Ruhestellung, wie im Folgenden unter Zuhilfenahme des Diagramms aus 7 erläutert werden wird, in dem ein Verlauf eines auf die Gurtspule 26 wirkenden Drehmoments M in Abhängigkeit einer Drehstellung, d.h. in Abhängigkeit von einer Umdrehungszahl U, der Gurtspule aufgetragen ist.
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6 zeigt den Gurtaufroller 24 in einer Ruhestellung der Gurtspule 26, die einer eingezogenen Position eines nicht näher dargestellten, mit der Gurtspule 26 koppelbaren Gurtbandes entspricht.
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In dieser Stellung ist die Gurtspule 26 durch die Triebfeder 10 mit einem Vorspannungsmoment M1 beaufschlagt (siehe 7).
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Dieses ergibt sich dadurch, dass die Gurtspule 26 entgegen einer aus der Triebfeder 10 resultierenden Federkraft um ca. 10,5 Umdrehungen gegenüber dem Gurtaufrollergehäuse 28 verdreht wird.
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Der Bereich des Verlaufs des Drehmoments M zwischen 0 und 10,5 Umdrehungen kann somit als Vorspannungsbereich 32 bezeichnet werden.
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Wird nun ausgehend hiervon die Gurtspule 26 weiter, d. h. über 10,5 Umdrehungen hinaus, gegenüber dem Gurtaufrollergehäuse 28 verdreht, so steigt das auf die Gurtspule 26 wirkende Drehmoment M weiter an.
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Dabei wirkt das Drehmoment M als Rückstellmoment, das in Richtung der Ruhestellung wirkt und von der Triebfeder 10 auf die Gurtspule 26 ausgeübt wird.
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Das Rückstellmoment steigt bis zu einem zugeordneten Maximalwert M2 in degressiver Weise an.
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Dabei ist das maximale Rückstellmoment M2 bei 20,5 Umdrehungen der Gurtspule 26 gegenüber dem Gurtaufrollergehäuse 28 erreicht. Dies entspricht einem Zustand, in dem das nicht näher dargestellte Gurtband maximal abgewickelt ist.
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Der Verlauf des Drehmoments M im Bereich zwischen 10,5 und 20,5 Umdrehungen tritt also im Zusammenhang mit Auf- und Abwicklungsvorgängen des Gurtbands auf. Daher wird dieser Abschnitt des Verlaufs des Drehmoments M auch als Betriebsbereich 34 bezeichnet.
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Die Triebfeder 10 ist dabei so gestaltet, dass sie sowohl in der Ruhestellung als auch über den gesamten Betriebsbereich 34 konzentrisch zur Mittelachse 26a angeordnet ist.
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Darüber hinaus bleiben die Windungen 30 sowohl in der Ruhestellung als auch in einer beliebigen Stellung innerhalb des Betriebsbereich 34 radial berührungsfrei.
