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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gurtstraffer für ein Sicherheitsgurtsystem eines Kraftfahrzeugs, umfassend mindestens einen elektrischen Aktuator.
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Sicherheitsgurtsysteme sind heute nicht mehr reine mechanische Produkte. Neben der Mechanik können sie pyrotechnische, elektronische und/oder elektromechanische Komponenten enthalten. Heutige reversible Gurtstraffer sind unabhängig vom Installationspunkt (im Retraktor bzw. Aufroller, Gurtschloss oder Endbeschlag) in der Lage, bereits in kritischen Fahrsituationen die Gurtlose der Sicherheitsgurte zu reduzieren und den Insassen somit frühzeitig zurückzuhalten. Derartige reversible Gurtstraffer für Sicherheitsgurtsysteme sind im Stand der Technik hinreichend bekannt, siehe beispielsweise
DE 44 11 184 C2 und
DE 100 29 061 A1 . Eine Funktion eines reversiblen Gurtstraffers ist es, in einer Situation, in der möglicherweise ein Unfall folgen könnte, auch als Pre-Crash- bzw. Vor-Unfall-Phase bezeichnet, vorhandene Gurtlose aus dem Sicherheitsgurtsystem herauszuziehen, um den Insassen in einer möglichen nachfolgenden Unfallsituation möglichst frühzeitig an die Fahrzeugverzögerung anzukoppeln. Dadurch wird die Insassenbelastung auf einen möglichst langen Weg der Vorwärtsverlagerung verteilt und der Maximalwert der Insassenbelastung reduziert. Ferner können reversible Gurtstraffer auch als Warnsystem dienen, um den Insassen auf eine Gefahrensituation aufmerksam zu machen.
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Für den Fall, dass der Vor-Aufprall-Phase kein Unfall folgt, wird der Gurtstraffer wieder deaktiviert und die Gurtkraft wieder gesenkt. Aus diesem Grunde ist es wichtig, dass der Gurtstraffer reversibel arbeitet. Reversible Gurtstraffer können zum Beispiel einen elektromotorischen Antrieb aufweisen, welcher besonders einfach und ohne Zeitverzögerung anzusteuern ist.
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Generell können reversible Gurtstraffer eine Vorverlagerung aus der Designposition vorteilhaft verhindern. Die Reaktionszeit liegt hier im Bereich von einigen Millisekunden. Durch die kurze Reaktionszeit und aufgrund der benötigten mechanischen Arbeit wird hierfür eine gewisse elektrische Energie benötigt.
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Im Allgemeinen ergeben sich bei Gurtstraffern mit einem oder mehreren elektrischen Aktuatoren eine Reihe von Fragestellungen: i) Wie kann die benötigte elektrische Energie in kurzer Zeit zum Aktuator geleitet werden? Dabei spielen auch folgende Punkte eine Rolle: im Kraftfahrzeug sind kleine Leitungsquerschnitte zur Gewichtsreduzierung erwünscht; zu berücksichtigen ist auch die Entfernung der Fahrzeugbatterie bzw. des Generators zum Aktuator; im Falle des Verbaus des Gurtstraffers in einem Fahrzeugsitz existiert eine lösbare elektrische Verbindungsstelle. ii) Wie kann die Energieversorgung in Falle eines Unfalles sichergestellt werden, wenn die Gefahr besteht, dass die Lichtmaschine und/oder Fahrzeugbatterie kurz nach dem Aufprall (beispielsweise durch Kurzschluss) beschädigt und/oder zur Sicherheit mittels eines Sicherheitsschalters abgetrennt und/oder Zuleitungen oder Steckverbinder getrennt werden? iii) Wie kann die benötigte Energie bereitgestellt werden, wenn die Bordnetzspannung am unteren Limit ist oder viele Energieverbraucher gleichzeitig auf das Bordnetz zugreifen? Dabei spielen auch folgende Punkte eine Rolle: im Kraftfahrzeug ist eine kleine Lichtmaschine zur Gewichtsersparnis erwünscht; die Fahrzeugbatterie kann beispielsweise im Winter oder altersbedingt schwach bzw. deren Kapazität auf Reserve sein; kurz vor Feststellung einer Unfallsituation (Zeitpunkt t0) sprechen gleichzeitig Hochstromverbraucher wie ESC (Electronic Stability Control), reversibler Gurtstraffer, Sitzverstellung, Fensterheber etc. an, was eine besondere Belastung für die Fahrzeugbatterie darstellt.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine zuverlässige Betätigbarkeit des elektrischen Aktuators in jeder möglichen Situation sicherzustellen.
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Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Erfindungsgemäß ist dem Gurtstraffer ein dezentraler, autarker elektrischer Energiespeicher zugeordnet, der zur Speicherung einer für den Betrieb des Aktuators ausreichenden Menge elektrischer Energie eingerichtet ist. Dezentral bedeutet, dass der elektrische Energiespeicher zusätzlich zu der Fahrzeugbatterie vorgesehen und am Ort oder im Bereich des Gurtstraffers ist. Autark bedeutet, dass der elektrische Energiespeicher unabhängig vom Zustand der Fahrzeugbatterie oder von Versorgungsleitungen zwischen Fahrzeugbatterie und Gurtsystem selbständig funktionsfähig ist und elektrische Energie bereitstellt.
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Die erfindungsgemäße Lösung liegt in einem dezentralen, autarken und vorzugsweise diagnostizierbaren Energiespeicher als Energiequelle, welcher vorteilhaft an dem Aktuator platziert wird. Hierbei kann es sich um eine Batterie, einen Akku oder einen Kondensator handeln, welcher die benötigte Energie für verschiedene Lastfälle bereitstellen kann. Bevorzugt umfasst der Energiespeicher mindestens einen Superkondensator, Ultrakondensator, Doppelschichtkondensator bzw. allgemein einen elektrochemischen Kondensator, um die benötigte Energiemenge mit geringem Bauraum speichern zu können. Vorteilhaft ist die Verwendung mindestens eines Hochvoltkondensators mit einer Nennspannung von mindestens 100 V, vorzugsweise mindestens 200 V, weiter vorzugsweise mindestens 300 V, da Hochvoltkondensatoren im allgemeinen weniger Bauraum benötigen. Es kann für die Ausführung als Hochvoltkondensator oder generell für die elektromagnetische Abschirmung des Inneren des Energiespeichers (Faradayscher Käfig) und der Umgebung vorteilhaft sein, wenn der Energiespeicher von einem metallischen Gehäuse ummantelt ist. Jedoch ist auch ein Gehäuse aus Kunststoff für den Energiespeicher zwecks einfacher elektrischer Isolierung möglich.
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Der Anwendungsfall und die benötigte Energiemenge sowie die intern verwendete Spannung bestimmen das für die elektrische Energie benötigte Energiespeichervolumen. Beispielsweise wird für eine Straffung des Gurtsystems, welche vergleichbar mit einer pyrotechnischen Straffung sein soll, eine erhebliche Energie benötigt. Demnach ist der Energiespeicher vorzugsweise zum Speichern von einer Energiemenge von mindestens 100 J, weiter vorzugsweise mindestens 150 J, noch weiter vorzugsweise mindestens 200 J, mindestens 1000 J, mindestens 1500 J oder mindestens 2000 J eingerichtet. Der Einbauort und der verwendete Aktuator bestimmen dann die Bauform und die Einbaulage des Energiespeichers.
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In bevorzugten Ausführungsformen umfasst der mindestens eine elektrische Aktuator einen Elektromotor, der vorteilhaft zur reversiblen Vorstraffung und/oder zur Leistungsstraffung des Sicherheitsgurts eingerichtet ist. In einigen Ausführungsformen kann der Energiespeicher zur Versorgung eines elektromechanischen Kraftbegrenzers dienen. Vorzugsweise ist der Energiespeicher zur Speicherung einer für die Ausführung einer oder mehrerer der folgenden Funktionen ausreichenden Menge elektrischer Energie eingerichtet: reversible Gurtvorstraffung in einer Vor-Unfall-Situation; Leistungsstraffung bei unvermeidbarem Fahrzeugaufprall; elektromechanische Kraftbegrenzung. Diese Funktionen werden im Folgenden kurz erläutert.
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Eine reversible Gurtvorstraffung wird durchgeführt, wenn eine kritische Fahrsituation oder eine bevorstehende Unfallsituation detektiert wird, wobei aber noch unklar ist, ob ein Fahrzeugaufprall stattfinden wird oder nicht. In dieser Situation wird vorsichtshalber bereits Gurtlose eingezogen, um den Insassen besser an das Fahrzeug zu koppeln und ein Bewegen aus der Design-Position zu verhindern. Dies begünstigt eine möglicherweise folgende Leistungsstraffung, da diese von einem bereits vorgestrafften Niveau starten kann. Wenn sich herausstellt, dass ein Fahrzeugaufprall vermieden werden konnte, wird die Gurtvorstraffung wieder aufgehoben und der Sicherheitsgurt ist wieder frei herausziehbar.
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Der erfindungsgemäße Gurtstraffer ist in verschiedenen Anwendungen vorteilhaft einsetzbar. Eine bevorzugte Anwendung betrifft einen Gurtaufroller (Retraktor). In einigen Ausführungsformen ist der Gurtaufroller zur Anordnung in einem Fahrzeugsitz, insbesondere in einer Rückenlehne desselben, ausgebildet und eingerichtet. In diesem Fall kann es bauraumbedingt vorteilhaft sein, wenn die Gurtspule, ein Kraftbegrenzer, ein Getriebe und der Elektromotor in dem Gurtaufroller koaxial zueinander angeordnet sind, um eine durchgehende Längsachse A zu bilden.
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Andere mögliche Anwendungsfälle für den erfindungsgemäßen Gurtstraffer betreffen die Anordnung in einem Gurtschloss als sog. Schlossstraffer oder die Anordnung an einem Endbeschlag als sog. Endbeschlagsstraffer.
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Vorteilhaft dient der elektrische Energiespeicher ausschließlich zur Energieversorgung von elektrischen Komponenten und Aktuatoren des Gurtstraffers oder des Gurtsystems oder eines Insassenrückhaltesystems einschließlich Airbags, aber nicht zur Energieversorgung von elektrischen Komponenten und Aktuatoren anderer Fahrzeugsysteme. Dies hat den Vorteil, dass Energie nicht durch andere Fahrzeugsysteme abgenommen wird, und die gesamte in dem elektrischen Energiespeicher gespeicherte Energie dem Gurtstraffer / Gurtsystem / Insassenrückhaltesystem zur Verfügung steht.
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Ferner kann der Energiespeicher durch eine Aktvierung eines elektromechanischen Kraftbegrenzers im Generatorbetrieb wieder aufladbar sein, so dass der Energiespeicher nach dem erfolgten kraftbegrenzten Gurtbandauszug zumindest teilweise mit Energie geladen ist. Diese Energie kann nachfolgend z.B. zur Auslösung eines Notrufes oder eines Warnsignals noch genutzt werden.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren erläutert. Dabei zeigt
- 1 einen Gurtaufroller für einen Fahrzeugsitz mit einem erfindungsgemäßen Gurtstraffer in einer ersten Ausführungsform;
- 2 einen Gurtaufroller für einen Fahrzeugsitz mit einem erfindungsgemäßen Gurtstraffer in einer zweiten Ausführungsform;
- 3 einen Gurtaufroller für die B-Säule mit einem erfindungsgemäßen Gurtstraffer in einer dritten Ausführungsform; und
- 4 einen Gurtaufroller für die B-Säule mit einem erfindungsgemäßen Gurtstraffer in einer vierten Ausführungsform.
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Die Ausführungsformen gemäß 1 und 2 betreffen einen Gurtaufroller 10 zur Montage an oder in einem Fahrzeugsitz, insbesondere an einem Träger, beispielsweise einem Querträger, in der Rückenlehne eines Fahrzeugsitzes.
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Der Gurtaufroller 10 umfasst ein fahrzeugfestes Gehäuse 13 mit fahrzeugfesten Tragelementen 18, 19, die beispielsweise Querträger 18 umfassen, sowie Befestigungspunkten 30 zur Befestigung des Gurtaufrollers 10 an der Fahrzeugstruktur. Der Gurtaufroller 10 umfasst eine in dem Gehäuse 13 bzw. einem U-förmigen Tragelement 19 drehbar gelagerte Gurtspule 11, auf der ein nicht gezeigter Insassen-Sicherheitsgurt aufwickelbar ist. Die Gurtspule 11 ist mit einer koaxialen Gurtwelle 14 drehfest verbunden.
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Der Gurtaufroller 10 umfasst des Weiteren einen Gurtstraffer 27 mit einem Elektromotor 12 zum Drehantrieb der Gurtwelle 14 und somit der Gurtspule 11. Die Motorwelle 15 des Elektromotors 12 ist mit einem Getriebe 16 verbunden, das die Drehbewegung der Motorwelle 15 auf die Gurtwelle 14 überträgt. Funktional zwischen dem Getriebe 16 und der Gurtspule 11 ist ein Kraftbegrenzer 17 angeordnet, die beim Fahrzeugaufprall die von dem Sicherheitsgurt auf den Insassen ausgeübte Kraft begrenzt. Der Kraftbegrenzer 17 kann beispielsweise einen Torsionsstab enthalten oder auf einem anderen Wirkmechanismus beruhen.
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Die Gurtspule 11, der Kraftbegrenzer 17, das Getriebe 16 und der Elektromotor 12 sind vorteilhaft koaxial zueinander angeordnet (siehe 1 und 2), so dass sich der insgesamt längliche Gurtaufroller 10 entlang einer durchgehenden Längsachse A erstreckt, die zentral durch die Gurtwelle 11 und die Motorwelle 15 verläuft. Diese Anordnung eignet sich besonders für die Montage an einem sitzfesten Träger, beispielsweise einem Querträger in einer Rückenlehne eines Fahrzeugsitzes.
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Der Elektromotor 12 ist zur Ausführung einer oder mehrerer der folgenden Funktionen eingerichtet: reversible Gurtvorstraffung in einer Vor-Unfall-Situation; Leistungsstraffung bei unvermeidbarem Fahrzeugaufprall; elektromechanische Kraftbegrenzung. Diese Funktionen wurden bereits zuvor erläutert. Es ist auch denkbar, die gespeicherte Energie wahlweise für einzelne Funktionen bereitzustellen, beispielsweise situationsabhängig für Leistungsstraffung oder Kraftbegrenzung. Zur Ausführung dieser Funktionen weist der Gurtaufroller 10 vorteilhaft eine digitale elektronische Steuereinrichtung 19 auf, die beispielsweise einen Mikroprozessor oder -controller umfasst und vorteilhaft über eine Signalleitung 21 an den Fahrzeugbus angeschlossen ist. Über die Signalleitung 21 kann auch ein Diagnosesignal mit Daten über den Lade- und/oder Verschleißzustand des Energiespeichers 20 an eine elektronische Steuereinheit des Fahrzeugs gesendet werden. Auf diese Weise ist der Energiespeicher 20 vorteilhaft diagnostizierbar und beispielsweise im Falle des Verschleißes des Energiespeichers 20 können geeignete Maßnahmen ergriffen werden. Über die Leitung 24 können Diagnosedaten des Energiespeichers an die Steuereinrichtung 19 übermittelt werden, was für die Ladesteuerung vorteilhaft sein kann.
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Dem Gurtaufroller 10 ist ein Energiespeicher 20 zugeordnet, der zur Speicherung einer ausreichenden Energiemenge dimensioniert ist, um sämtliche vorgesehenen Funktionen des Elektromotors 12 (reversible Gurtvorstraffung, Leistungsstraffung etc.) ohne weitere Energiezufuhr von außen, insbesondere ohne Energiezufuhr von der Fahrzeugbatterie, auszuführen. Wenn beispielsweise über die Busleitung 21 ein Vor-Unfall-Auslösesignal eingeht, steuert die Steuereinrichtung 19 den Elektromotor 12 zur Durchführung der reversiblen Gurtvorstraffung an, wobei die dazu benötigte elektrische Energie über eine elektrische Versorgungsleitung 24 bezogen wird, die den Elektromotor 12 direkt oder indirekt über die Steuereinrichtung 19 mit dem Energiespeicher 20 verbindet. Entsprechendes gilt, wenn beispielsweise über die Busleitung 21 ein Unfall-Auslösesignal bei der Steuereinrichtung 19 eingeht. In einer Vor-Unfall- oder Unfallsituation ist daher die Funktion des Gurtstraffers 10 in jedem Fall sichergestellt, selbst wenn die Versorgungsleitung 22 von der Fahrzeugbatterie 23 unterbrochen sein sollte oder die Fahrzeugbatterie 23 überlastet ist oder aus sonstigen Gründen ausfällt.
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Der Energiespeicher 20, beispielsweise ein Superkondensator, ist vorzugsweise zur Speicherung einer Energiemenge von mindestens 100 J, vorzugsweise mindestens 150 J, weiter vorzugsweise mindestens 200 J, noch weiter vorzugsweise 1000 J, 1500 J oder 2000 J dimensioniert und eingerichtet. Der Energiespeicher 20 ist vorzugsweise Teil des Gurtaufrollers 10 und/oder innerhalb des Gehäuses 13 angeordnet. Der Energiespeicher 20 kann auch außerhalb des Gehäuses 13 angeordnet und/oder ein vom Gurtaufroller 10 separates Bauteil sein.
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Der Energiespeicher 20 kann vorzugsweise von einem Metallgehäuse 26 umschlossen sein. Dies ermöglicht die Verwendung von Hochvolt-Kondensatoren mit 100 V oder mehr, wodurch das Volumen des Energiespeichers 20 vorteilhaft weiter reduziert werden kann. Weitere Vorteile eines metallischen Gehäuses 26 sind elektrische Abschirmung des Inneren des Energiespeichers 20 (Faradayscher Käfig) und der Umgebung. Eine Erdung eines metallischen Gehäuses 26 kann vorteilhaft sein. Ausführungen mit einem Gehäuse 26 aus Kunststoff oder auch einer Kombination von Metall- und Kunststoffgehäuse sind möglich, was auf einfache Weise eine elektrische Isolierung ermöglicht.
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Die Steuereinrichtung 19 umfasst vorteilhaft eine elektronische Ladesteuerung, die mit der Fahrzeugbatterie 22 über eine Versorgungsleitung 25 verbunden ist. Die Ladesteuerung sorgt für die Aufladung des Energiespeichers 20, wenn der Ladezustand des Energiespeichers 20 niedrig bzw. unter eine bestimmte Schwelle abgesunken ist. Des Weiteren kann ein Transformator zum Transformieren der Bordspannung auf die Ladespannung für den Energiespeicher 20 vorgesehen sein. Dadurch kann ein Ladezyklus mit geringerem Strom im Normalbetrieb des Fahrzeuges verwirklicht werden. Es kann auch eine intelligente Ladung vorgesehen sein, bei der der Ladevorgang in kritischen Situationen abgebrochen wird, um dann im Normalbetrieb nach Beendigung der kritischen Situation wieder aufgenommen zu werden. Sofern der Energiespeicher mit einem elektromechanischen Kraftbegrenzer gekoppelt ist, kann auch eine Aktivierung des elektromechanischen Kraftbegrenzers zum Aufladen des Energiespeichers 20 genutzt werden. Dieses Aufladen erfolgt während der Rückhaltung des Insassen im Unfall bzw. während der kraftbegrenzten Vorverlagerung des Insassen im Unfall und kann anschließend nach Beendigung des Unfalles z.B. zum Aussenden eines Notrufes oder eines Warnsignals genutzt werden.
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In der Ausführungsform gemäß 1 ist der Energiespeicher 20 länglich, beispielsweise zylinderförmig, und vorteilhaft axialparallel zu der Längsachse A des Gurtaufrollers 10 angeordnet, beispielsweise unterhalb der Wellenachse 14, 15. Um bauraumbedingt einen relativ dünnen Energiespeicher 20 (d.h. mit relativ geringem Durchmesser) verwenden zu können, kann der Energiespeicher 20 vorzugsweise mehrere kleinere, beispielsweise zylindrische Speichereinheiten 23 umfassen, die in Serie entlang einer Längsachse des Energiespeichers 20 angeordnet sind, wie in 1 gezeigt ist. Der Energiespeicher 20 kann vorteilhaft an einem oder mehreren Querträgern 18 gehalten sein. Der Retraktor/Aufroller 10 und der Energiespeicher 20 könnten vorteilhaft innerhalb des oberen Querträgers eines Fahrzeugsitzes platziert werden, und so beispielsweise genügend Raum für ein Durchtauchen des Insassen bei einem Heckaufprall bieten.
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In der Ausführungsform gemäß 2 ist der Energiespeicher 20 beispielsweise zylinderförmig und vorteilhaft radial, quer, schräg oder windschief zu der Längsachse A des Gurtaufrollers 10 angeordnet. In dieser Ausführungsform ist der Energiespeicher 20 beispielsweise ein separates Bauteil und kann z.B. in oder am Seitenträger einer Fahrzeug-Sitzlehne angeordnet werden.
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Die Ausführungsformen gemäß 3 und 4 betreffen eine Anwendung bei einem Retraktor 10 insbesondere für den Einbau in der B-Säule des Fahrzeugs. Hier bietet sich eine Anordnung des Energiespeichers 20 parallel zur Wellenachse A (3) oberhalb oder unterhalb der der Gurtspule 11 an, je nachdem wo der Aktuator (Elektromotor 12) platziert ist, weil der Bauraum in der B-Säule in x- und y-Dimension sehr beschränkt ist. Das Design der B-Säule kann auch eine Installation mit separatem Energiespeicher 20 notwendig machen, wie in 4 gezeigt. Auch eine Anordnung senkrecht oder radial zur Wellenachse A wie in 4 ist möglich.
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In den Figuren wurde ein Energiespeicher 20 für den Betrieb eines Elektromotors 12 in einem Gurtaufroller 10 beschrieben. Entsprechende Anwendungsfälle an einem Gurtschloss-Straffer oder einem Endbeschlagsstraffer eines Sicherheitsgurtsystems sind möglich.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 4411184 C2 [0002]
- DE 10029061 A1 [0002]
