DE102021132186A1

DE102021132186A1 - Gurtstraffer mit Stirnradgetriebe

Info

Publication number: DE102021132186A1
Application number: DE102021132186.7A
Authority: DE
Inventors: Michael Lohmeier; Wolfgang Holbein; Johannes König
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG; ZF Automotive Germany GmbH
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG; ZF Automotive Germany GmbH
Priority date: 2021-12-07
Filing date: 2021-12-07
Publication date: 2023-06-07
Also published as: CN118369254A; WO2023104699A1

Abstract

Ein Gurtstraffer für ein Sicherheitsgurtsystem mit einem Stirnradgetriebe (18). Das Stirnradgetriebe (18) umfasst mindestens ein Motorzahnrad (24) und mindestens ein erstes Stufenrad (26) und ein zweites Stufenrad (28). Das Motorzahnrad (24) bildet mit dem ersten Stufenrad (26) eine erste Getriebestufe (34) und das erste Stufenrad (26) bildet mit dem zweiten Stufenrad (28) eine zweite Getriebestufe (36). Das Motorzahnrad (24) sowie jedes der Stufenräder (24, 26) weist eine Schrägverzahnung auf und der Schrägungswinkel der Schrägverzahnung der zweiten Getriebestufe (36) ist in Abhängigkeit des Schrägungswinkels der ersten Getriebestufe (34) bestimmt. Die Sprungüberdeckung mindestens einer Schrägverzahnung ist nicht ganzzahlig.

Description

Die Erfindung betrifft einen Gurtstraffer für ein Sicherheitsgurtsystem mit einem Stirnradgetriebe.
Ein Gurtstraffer dient dazu, in einem Rückhaltefall gewisse Einflüsse zu vermindern, die sich negativ auf die Rückhaltung eines Fahrzeuginsassen auswirken, bevor die Vorverlagerung des Fahrzeuginsassen und gegebenenfalls der Einsatz einer Kraftbegrenzungseinrichtung beginnen. Zu diesen Einflüssen gehören beispielsweise der sogenannte Filmspuleneffekt und die Gurtlose. Beim Filmspuleneffekt handelt es sich um locker auf eine Gurtspule aufgerolltes Gurtband. Bei der Gurtlose liegt das Gurtband nur locker am Fahrzeuginsassen an. Der Gurtstraffer reduziert die Gurtlose und den Filmspuleneffekt innerhalb kürzester Zeit, indem er beispielsweise das Gurtband auf eine Gurtspule eines Gurtaufrollers aufwickelt und so das Gurtband strafft. Der Fahrzeuginsasse kann somit frühzeitig an der Fahrzeugverzögerung teilnehmen. Außerdem verbessern sich die Bedingungen für den anschließenden Einsatz einer Kraftbegrenzungseinrichtung.
Zu diesem Zweck können Gurtstraffer zum Einsatz kommen, die mittels eines Elektromotors angetrieben werden, insbesondere reversible Gurtstraffer. „Reversibel“ bedeutet in diesem Zusammenhang, dass nach der Straffung durch den Elektromotor die Verbindung zwischen Getriebe und Gurtspule wieder gelöst wird und somit die „normalen“ Aufrollerfunktionen wieder realisierbar sind. Dabei kann das Getriebe in zwei Drehrichtungen angetrieben werden. Es wird in der Regel eine Kupplung zur Drehmomentübertragung vom Getriebe an die Gurtspule eingesetzt. Zum Straffen muss ein hohes Drehmoment bei großer Drehzahl bereitgestellt werden, um den Gurt mit ausreichender Kraft und Geschwindigkeit straffen zu können. Dazu wird die hohe Drehzahl des Elektromotors durch ein Getriebe untersetzt, so dass an der Gurtspule relativ geringe Drehzahlen - in Relation zur Motordrehzahl - und hohe Drehmomente - in Relation zum Motordrehmoment - anliegen.
Zum Übertragen des Drehmoments des Elektromotors sind im Stand der Technik verschiedene Arten von Getrieben bekannt. Beispielsweise kann ein Stirnradgetriebe zum Einsatz kommen, bei welchem mehrere Stirnräder auf parallelen Achsen nacheinander geschaltet werden können. Stirnradgetriebe bieten den Vorteil, dass unterschiedliche Übersetzungsverhältnisse und mehrere Getriebestufen relativ einfach realisiert werden können.
Neben den Anforderungen bezüglich der Übertragung des Drehmoments sind jedoch auch die Zuverlässigkeit, die Laufruhe und die Kosten des Stirnradgetriebes von Bedeutung bei der Auslegung des Gurtstraffers. Grundsätzlich ist es bekannt, in Stirnradgetrieben eine Kombination von Zahnrädern mit Geradverzahnungen und Schrägverzahnungen einzusetzen. Zahnräder mit Schrägverzahnungen weisen insbesondere eine geringere Geräuschentwicklung im Betrieb und somit eine höhere Laufruhe auf, sind jedoch wesentlich kostenintensiver in der Herstellung als Zahnräder mit Geradverzahnungen.
Zahnräder für Stirnradgetriebe können sowohl aus Metall, beispielsweise aus Stahl oder Messing, oder aus einem Kunststoff gefertigt sein. Zahnräder aus Kunststoff verbessern ebenfalls die Laufruhe, können jedoch lediglich geringeren mechanischen Belastungen auf Dauer standhalten.
Aus Kostengründen werden daher in Stirnradgetrieben für Gurtstraffer üblicherweise lediglich in einer ersten Getriebestufe kostenintensive Zahnräder aus Metall mit Schrägverzahnungen eingesetzt, um das vom Elektromotor mittels eines Motorritzels übertragenes Drehmoment handhaben zu können und gleichzeitig die Laufruhe zu verbessern. Nachfolgende Zahnräder werden üblicherweise aus Kunststoff und mit Geradverzahnung ausgelegt, um einen Kompromiss zwischen Laufruhe, Verschleißfestigkeit und Kosten zu finden. Eine solche Auslegung stellt jedoch nicht für alle Anwendungsfälle eine zufriedenstellende Lösung dar.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, einen Gurtstraffer bereitzustellen, der eine hohe Laufruhe ermöglicht und insbesondere kostengünstig hergestellt werden kann.
Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch einen Gurtstraffer für ein Sicherheitsgurtsystem mit einem Stirnradgetriebe. Das Stirnradgetriebe umfasst mindestens ein Motorzahnrad und mindestens ein erstes Stufenrad und ein zweites Stufenrad. Das Motorzahnrad bildet mit dem ersten Stufenrad eine erste Getriebestufe und das erste Stufenrad bildet mit dem zweiten Stufenrad eine zweite Getriebestufe. Das Motorzahnrad sowie jedes der Stufenräder weist eine Schrägverzahnung auf und der Schrägungswinkel der Schrägverzahnung der zweiten Getriebestufe ist in Abhängigkeit des Schrägungswinkels der ersten Getriebestufe bestimmt. Die Sprungüberdeckung mindestens einer der Schrägverzahnungen ist nicht ganzzahlig.
Der erfindungsgemäße Gurtstraffer ist insbesondere ein reversibler Gurtstraffer.
Dadurch, dass erfindungsgemäß jedes der Stufenräder eine Schrägverzahnung aufweist, zeichnet sich das Stirnradgetriebe und somit der erfindungsgemäße Gurtstraffer durch eine ausgezeichnete Laufruhe aus.
Der Ausdruck „Schrägungswinkel einer Getriebestufe“ bedeutet hier und im Folgenden, dass die an der jeweiligen Getriebestufe beteiligten Zahnräder, das heißt das Motorzahnrad und/oder beteiligte Stufenräder, eine Schrägverzahnung mit dem entsprechenden Schrägungswinkel aufweisen.
Das Motorzahnrad ist das Zahnrad, welches mittels einer Abtriebswelle eines Antriebs angetrieben wird, bevorzugt mittels einer Abtriebswelle eines Elektromotors.
In bekannten Stirnradgetrieben mit Schrägverzahnungen wird die Sprungüberdeckung ganzzahlig gewählt, um eine gleichmäßige Drehmomentübertragung zu gewährleisten, wobei die Sprungüberdeckung abhängig ist von der Zahnbreite und dem Schrägungswinkel der Schrägverzahnung. Dies resultiert in hohen Schrägungswinkeln von 30° oder mehr, wodurch hohe axiale Belastungen auf die Zahnräder und vorhandene Lagerstellen der Zahnräder wirken, die durch aufwendige konstruktive Ausgestaltungen kompensiert werden müssen, beispielsweise durch Versteifungen.
Es wurde erkannt, dass durch die Anpassung des Schrägungswinkels der zweiten Getriebestufe in Abhängigkeit des Schrägungswinkels der ersten Getriebestufe und gleichzeitig dem Einsatz wenigstens einer Schrägverzahnung mit nicht ganzzahliger Sprungüberdeckung ein besonders langlebiges Stirnradgetriebe mit hoher Laufruhe realisiert werden kann, während zugleich wesentlich geringere Schrägungswinkel zum Einsatz kommen können.
Mit anderen Worten ist die Sprungüberdeckung nicht mehr an ganzzahlige Vielfache gebunden, sondern kann hinsichtlich einer gewünschten Lastverteilung bzw. Verteilung der auftretenden mechanischen Belastungen innerhalb des Stirnradgetriebes gewählt werden.
Beispielsweise ist der Schrägungswinkel mindestens einer Getriebestufe, insbesondere der zweiten und jeder höheren Getriebestufe, kleiner als 10°.
In einer Variante ist der Schrägungswinkel jeder Getriebestufe kleiner als 10°.
Durch die Verwendung derartig kleiner Schrägungswinkel können die auf die jeweilige Getriebestufe wirkenden Axialkräfte verringert werden, sodass der konstruktive Aufwand und somit die Kosten des Stirnradgetriebes minimiert werden kann, ohne die Langlebigkeit und Laufruhe des Gurtstraffers negativ zu beeinflussen.
Die Sprungüberdeckung mindestens einer Schrägverzahnung, bevorzugt jeder Schrägverzahnung oder jeder Schrägverzahnung ab der zweiten Getriebestufe, ist insbesondere kleiner 1.
Jedes Stufenrad ist insbesondere mittels einer axial durch das Stufenrad verlaufenden Achse ausgerichtet, die an einer der jeweiligen Achse zugehörigen Lagerstelle an einem Gehäuse des Gurtstraffers gelagert ist. Über die Abstimmung der Schrägungswinkel der ersten und zweiten Getriebestufe in Kombination mit einer nicht ganzzahligen Schrägverzahnung können die auf die zugehörigen Lagerstellen wirkenden Kräfte zielgerichtet ausgestaltet werden, sodass der konstruktive Aufwand in der Auslegung der Lagerstellen und die Kosten in der Herstellung des Gurtstraffers gering gehalten werden können.
In einer Variante wirkt auf die den jeweiligen Stufenrädern zugehörigen Lagerstellen mit zunehmender Getriebestufe eine abnehmende axiale Kraft oder auf alle den jeweiligen Stufenrädern zugehörigen Lagerstellen wirkt eine im Wesentlichen gleich große axiale Kraft. Auf diese Weise wird eine besonders gleichmäßige Lastverteilung innerhalb des Gurtstraffers ermöglicht, wodurch eine besonders hohe Laufruhe erzielt werden kann. Bei mit zunehmender Getriebestufe abnehmender axialer Kraft können zudem die Lagerstellen mit zunehmender Getriebestufe einfacher und kostengünstiger ausgelegt werden, ohne dass sich dies negativ auf die Langlebigkeit und Laufruhe des Stirnradgetriebes auswirkt. Somit können der konstruktive Aufwand und die Kosten des Gurtstraffers minimiert werden.
Um die Herstellungskosten des erfindungsgemäßen Gurtstraffers weiter zu senken, kann die Achse mindestens eines Stufenrads, insbesondere die Achsen aller Stufenräder, an einem ersten axialen Ende der Achse mittels einer Spritzgussverbindung am Gehäuse gelagert sein. Auf diese Weise kann zusätzlich eine stabile Lagerung sowie eine genaue Ausrichtung des der jeweiligen Achse zugeordneten Stufenrads gewährleistet werden.
Die Achsen können insbesondere in Form eines Lagerpins ausgestaltet sein, der einen kragenförmigen Vorsprung aufweist. Der kragenförmige Vorsprung dient in diesem Fall insbesondere als Lagerstelle für das jeweilige Stufenrad, um eine genaue Ausrichtung des Stufenrads zu gewährleisten.
In dieser Variante kann der kragenförmige Vorsprung mittels einer Spritzgussverbindung am Gehäuse gelagert werden, um eine zuverlässige Fixierung der Achse zu gewährleisten.
Um die Verschleißfestigkeit und Langlebigkeit des Gurtstraffer zu erhöhen, können die Achsen aus einem Metall sein, insbesondere aus Stahl oder Messing. Insbesondere bei Einsatz eines Lagerpins mit kragenförmigen Vorsprüngen kann durch die Wahl eines geeigneten Metalls zudem die Reibung zwischen kragenförmigem Vorsprung und dem zugehörigen Stufenrad reduziert werden.
Die Achse mindestens eines Stufenrads, insbesondere die Achsen aller Stufenräder, können zudem an einem zweiten axialen Ende der Achse an einem Deckel des Gurtstraffers gelagert sein. Auf diese Weise kann eine zuverlässige Ausrichtung der Achse sichergestellt werden, auch bei Auftreten von mechanischen Belastungen beim Betreiben des Gurtstraffers, sodass das der jeweiligen Achse zugeordnete Stufenrad präzise ausgerichtet ist.
In einer Variante ist die Achse in einer zugehörigen Aufnahme des Deckels angeordnet, welche die Achse an ihrem zweiten axialen Ende bevorzugt wenigstens teilweise umschließt und auf diese Weise radiale Bewegungen der Achse verhindert oder wenigstens teilweise verhindert.
Durch die Lagerung des zweiten axialen Endes der Achse am Deckel kann ein definierter Anlauf des jeweiligen Stufenrads gewährleistet werden, auch bei einer Richtungsumkehr der Drehbewegung des jeweiligen Stufenrads.
In einer Variante ist der Schrägungswinkel der Schrägverzahnung der ersten Getriebestufe bestimmt nach folgender Formel (1): $β_{1} = a r c s i n (\frac{F_{A x M} * d_{w}}{T_{M}} * \frac{1}{b})$
wobei β₁ den Schrägungswinkel der ersten Getriebestufe, F_AxM die auf das Motorzahnrad wirkende axiale Kraft, d_w1.1 den Wälzkreisdurchmesser des Motorzahnrads in der ersten Getriebestufe, T_M das auf das Motorzahnrad wirkende Antriebsdrehmoment und 1/b einen vorbestimmten Bruchteil der auf das Motorzahnrad wirkenden axialen Kraft F_AxM bezeichnet, die auf die Lagerstelle der ersten Getriebestufe wirken soll.
Über die Wahl eines geeigneten Faktors 1/b kann festgelegt werden, welchen Belastungen die Lagerstelle der ersten Getriebestufe standhalten muss und somit wie aufwendig die entsprechende Lagerstelle gestaltet sein muss, um eine ausreichende Langlebigkeit des Gurtstraffers sicherzustellen.
Der Faktor 1/b kann beispielsweise im Bereich von 0,4 bis 0,8 liegen, insbesondere im Bereich von 0,5 bis 0,75.
Anders ausgedrückt liegt b beispielsweise im Bereich von 1,25 bis 2,5, insbesondere im Bereich von 1,33 bis 2,0.
Bevorzugt ist der Schrägungswinkel der zweiten Getriebestufe bestimmt nach folgender Formel (2): $β_{2} = a r c s i n (\frac{d_{w 2.1}}{d_{w 1.2}} * \frac{1}{b} * s i n (β_{1})),$
wobei β₂ den Schrägungswinkel der zweiten Getriebestufe, d_w2.1 den Wälzkreisdurchmesser des ersten Stufenrads in der zweiten Getriebestufe und d_w1.2 den Wälzkreisdurchmesser des ersten Stufenrads in der ersten Getriebestufe bezeichnet.
Mit anderen Worten ist erfindungsgemäß bevorzugt vorgesehen, dass in die Berechnung des Schrägungswinkels der zweiten Getriebestufe der Wert des Schrägungswinkels der ersten Getriebestufe einfließt, wie er nach Formel (1) ermittelt werden kann. Somit fließt der bei der Auslegung der ersten Getriebestufe gewählte Faktor 1/b auch in die Auslegung des Schrägungswinkels der zweiten Getriebestufe ein.
In einer weiteren Variante umfasst das Stirnradgetriebe mehr als zwei Stufenräder und mehr als zwei Getriebestufen, wobei der Schrägungswinkel der Schrägverzahnung der zweiten oder höheren Getriebestufe in Abhängigkeit des Schrägungswinkels der jeweils vorgeschalteten Getriebestufe bestimmt ist.
Mit anderen Worten wird eine Abstimmung der vorhandenen Schrägverzahnungen vorgenommen, wobei die Größe der jeweiligen Schrägungswinkel iterativ unter Berücksichtigung des Schrägungswinkels der jeweils vorhergehenden Getriebestufe ermittelt ist.
Bevorzugt ist der Schrägungswinkel der zweiten oder höheren Getriebestufe jeweils bestimmt nach folgender Formel (3): $β_{x} = a r c s i n (\frac{(n - x + 1) * d_{w x .1}}{(n - x + b) * d_{w (x - 1) .2}} * s i n (β_{(x - 1)}))$
wobei β_x den Schrägungswinkel der jeweiligen Getriebestufe x, n die Gesamtzahl der Getriebestufen, d_wx.1 den Wälzkreisdurchmesser des Ritzels in der jeweiligen Getriebestufe x und d_w(x–1).2 den Wälzkreisdurchmesser des Stufenrads in der vorgeschalteten Getriebestufe (x-1) bezeichnet.
Der Wert von b in Formel (3) ist über die Wahl des Faktors 1/b aus Formel (1) festgelegt. Das heißt, der Wert von b in Formel (3) wird darüber festgelegt, welcher vorbestimmte Bruchteil 1/b der auf das Motorzahnrad wirkenden axialen Kraft F_AxM auf die Lagerstelle der ersten Getriebestufe wirken soll.
Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen, die nicht in einem einschränkenden Sinn verstanden werden sollen, und den Zeichnungen. In diesen zeigen:

- 1 eine Aufsicht auf ausgewählte Teile eines erfindungsgemäßen Gurtstraffers mit Stirnradgetriebe,
- 2 den Gurtstraffer aus 1 mit entfernten Abdeckungen,
- 3 eine perspektivische Ansicht auf die am Stirnradgetriebe aus 1 beteiligten Zahnräder,
- 4 eine Aufsicht auf die Zahnräder nach 3,
- 5 eine Schnittansicht durch den Gurtstraffer aus 1 entlang der Linie A-A, und
- 6 eine schematische Schnittdarstellung durch die Zahnräder aus 3.

In 1 ist ein erfindungsgemäßer Gurtstraffer 10 gezeigt, der in einem Sicherheitsgurtsystem zum Einsatz kommen kann, beispielsweise in einem Sicherheitsgurtsystem für Fahrzeuginsassen.
Der Gurtstraffer 10 ist mit einem Rahmen 12 eines Gurtaufrollers 14 verbunden, in dem eine Gurtspule 16 drehbar gelagert ist, um ein (nicht dargestelltes) Gurtband im Auslösefall des Gurtaufrollers 14 aufzuwickeln und eine Gurtlose zu beseitigen.
Der Gurtstraffer 10 verfügt über ein Stirnradgetriebe 18, das in einem Gehäuse 20 aufgenommen ist, wobei das Gehäuse 20 wiederum mittels eines Deckels 22 verschlossen ist.
In 2 ist der Gurtstraffer 10 mit teilweise entferntem Gehäuse 20 und ohne den Deckel 22 gezeigt.
In dieser Darstellung wird besser ersichtlich, dass das Stirnradgetriebe 18 ein Motorzahnrad 24, ein erstes Stufenrad 26 sowie ein zweites Stufenrad 28 aufweist.
Das Motorzahnrad 24 wird mittels eines Elektromotors 30 über eine Abtriebswelle 32 des Elektromotors 30 angetrieben, wobei das Motorzahnrad 24 entweder im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn angetrieben werden kann. Durch ein Kupplungssystem kann das Getriebe mit der Gurtspule gekoppelt und entkoppelt werden
Das Zusammenwirken von Motorzahnrad 24, erstem Stufenrad 26 sowie zweitem Stufenrad 28 wird in 3 deutlich.
Das Motorzahnrad 24 bildet mit dem ersten Stufenrad 26 eine erste Getriebestufe 34 und das erste Stufenrad 26 bildet mit dem zweiten Stufenrad 28 eine zweite Getriebestufe 36.
Das erste Stufenrad 26 und das zweite Stufenrad 28 sind jeweils durch eine das jeweilige Stufenrad durchlaufende Achse 38 zueinander ausgerichtet, wobei die Achsen 38 des ersten Stufenrads 26 und des zweiten Stufenrads 28 parallel zueinander verlaufen.
Die Achsen 38 weisen jeweils ein erstes axiales Ende 40 sowie ein zweites axiales Ende 42 auf.
Die ersten axialen Enden 40 sind als kragenförmige Vorsprünge 50 ausgebildet. Die Achsen 38 werden auch als Lagerpins bezeichnet.
In der gezeigten Ausführungsform sind die Achsen 38 aus Stahl. Grundsätzlich sind jedoch alle Materialien geeignet, die eine ausreichende mechanische Stabilität und Belastbarkeit aufweisen.
In 3 wird zudem ersichtlich, dass alle am Stirngradgetriebe 18 beteiligten Zahnräder, das heißt das Motorzahnrad 24, das erste Stufenrad 26 und das zweite Stufenrad 28, eine Schrägverzahnung aufweisen.
4 zeigt eine Aufsicht auf die Zahnräder aus 3, in welcher zusätzlich die Wälzkreisdurchmesser d_w1.1, d_w1.2, d_w2.1 und d_w2.2 der Zahnräder 24, 26 beziehungsweise 28 eingezeichnet sind, wobei d_w1.1 den Wälzkreisdurchmesser des Motorzahnrads 24 in der ersten Getriebestufe 34, d_w1.2 den Wälzkreisdurchmesser des ersten Stufenrads 26 in der ersten Getriebestufe 34, d_w2.1 den Wälzkreisdurchmesser des ersten Stufenrads 26 in der zweiten Getriebestufe 36 und d_w2.2 den Wälzkreisdurchmesser des zweiten Stufenrads 28 in der zweiten Getriebestufe 36 angibt.
5 zeigt eine Schnittansicht durch den Gurtstraffer 10 entlang der Linie A-A aus 1.
In dieser Darstellung wird ersichtlich, dass das zweite axiale Ende 42 jeder der Achsen 38 in einer zugehörigen Aufnahme 54 des Deckels 22 aufgenommen und gelagert ist.
Die kragenförmigen Vorsprünge 50 liegen jeweils an einer Lagerstelle 51 an und sind jeweils mittels einer Spritzgussverbindung mit dem Gehäuse 20 verbunden, um die Achsen 38 parallel zueinander auszurichten und zu fixieren.
Die Stufenräder 26 und 28 sind einerseits auf den Oberseiten der kragenförmigen Vorsprünge 50 am ersten axialen Ende 40 der zugehörigen Achse 38 und andererseits am Deckel 22 nahe der Aufnahme 54 gelagert. Dies ermöglicht einen definierten Anlauf der Stufenräder 26 und 28 im Betrieb des Gurtstraffers 10 und gewährleistet einen gleichbleibenden Abstand zwischen den Stufenrädern 26 und 28.
Ferner ist in 5 zu erkennen, dass die Stufenräder 26 und 28 jeweils über Kontaktvorsprünge 56 und 58 verfügen, mit welchen der kragenförmige Vorsprung 50 bzw. der Deckel 22 kontaktiert ist. Auf diese Weise ist der Kontaktradius zwischen dem jeweiligen Stufenrad 26 bzw. 28 und dem kragenförmigen Vorsprung 50 bzw. dem Deckel 22 reduziert, wodurch die Relativgeschwindigkeit und das Bremsmoment sinkt und der Verschleiß der beteiligten Bauteile minimiert sowie der Wirkungsgrad des Gurtstraffers 10 erhöht werden kann.
In 6 ist eine schematische Schnittdarstellung der Zahnräder aus 3 gezeigt, in welcher das Motorzahnrad 24, das erste Stufenrad 26 und das zweite Stufenrad 28 nebeneinander dargestellt sind. Zusätzlich sind ausgewählte physikalische Größen eingezeichnet, welche in die Auslegung der Zahnräder einfließen.
Das Motorzahnrad 24 wird axial von der Abtriebswelle 32 des Elektromotors 30 (vgl. 2) durchlaufen, welche ein Motordrehmoment T_M überträgt, eine auf das Motorzahnrad 24 wirkende axiale Kraft F_AxM erzeugt und das Motorzahnrad 24 in Rotation versetzt.
In der ersten Getriebestufe 34, speziell im Zahnkontakt zwischen Motorzahnrad 24 und erstem Stufenrad 26, wird eine Axialkraft F_AxV1 erzeugt, welche die Rotation des Motorzahnrads 24 auf das erste Stufenrad 26 überträgt.
Das erste Stufenrad 26 rotiert um die zugeordnete Achse 38 und erzeugt in der zweiten Getriebestufe 36, speziell im Zahnkontakt zwischen erstem Stufenrad 26 und zweitem Stufenrad 28 eine Axialkraft F_AxV2, welche wiederum die Rotation des ersten Stufenrads 26 auf das zweite Stufenrad 28 überträgt.
Durch die Drehbewegungen des ersten Stufenrads 26 und des zweiten Stufenrads 28 werden Drehmomente T_W1 bzw. T_{W2 übertragen}, welches wiederum Axialkräfte F_AxW1 bzw. F_AxW2 an den ersten axialen Enden 40 der Achsen 38 verursachen, das heißt eine auf die jeweilige Lagerstelle wirkende axiale Kraft.
Um eine hohe Langlebigkeit und eine gute Laufruhe des Stirnradgetriebes 18 zu gewährleisten, werden die Schrägverzahnungen des Motorzahnrads 24, des ersten Stufenrads 26 sowie des zweiten Stufenrads 28 erfindungsgemäß so ausgestaltet, dass mindestens eine der Schrägverzahnungen über eine nicht ganzzahlige Sprungüberdeckung verfügt, insbesondere alle der Schrägverzahnungen.
Auf diese Weise wird in der ersten Getriebestufe 34 und/oder der zweiten Getriebestufe 36 ein Schrägungswinkel von weniger als 10° erreicht. Mit geringerem Schrägungswinkel sinkt auch die Größe der Axialkräfte F_AxW1 bzw. F_AxW2, welche auf die Lagerstellen der Achsen 38 wirken, wodurch die Laufruhe des Stirnradgetriebes 18 verbessert wird.
Im Folgenden wird eine bevorzugte Methode zum Bestimmen der Schrägungswinkel der im Stirnradgetriebe 18 eingesetzten Zahnrädern erläutert.
Der Schrägungswinkel β₁ der Schrägverzahnung der ersten Getriebestufe 34 ist bevorzugt bestimmt nach folgender Formel (1): $β_{1} = a r c s i n (\frac{F_{A X M} * d_{w 1.1}}{T_{M}} * \frac{1}{b}) .$
wobei F_AxM die auf das Motorzahnrad 24 wirkende axiale Kraft, d_w1.1 den Wälzkreisdurchmesser des Motorzahnrads 24 in der ersten Getriebestufe 34 (vgl. 4), T_M das auf das Motorzahnrad 24 wirkende Antriebsdrehmoment und 1/b einen vorbestimmten Bruchteil der auf das Motorzahnrad 24 wirkenden axialen Kraft F_AxM bezeichnet, die auf die Lagerstelle der ersten Getriebestufe 34 wirken soll, das heißt auf das erste axiale Ende 40 der Achse 38 des ersten Stufenrads 26.
Der Faktor 1/b liegt insbesondere im Bereich von 0,4 bis 0,8, das heißt b liegt insbesondere im Bereich von 1,25 bis 2,5.
Beispielsweise ist der Faktor 0,5, das heißt die Hälfte des auf das Motorzahnrad 24 wirkenden axialen Kraft F_AxM soll auf die Lagerstelle der Achse 38 wirken.
Der Schrägungswinkel β₂ der zweiten Getriebestufe 36 wird in Abhängigkeit des nach Formel (1) ermittelten Schrägungswinkels β₁ nach folgender Formel (2) erm ittelt: $β_{2} = a r c s i n (\frac{d_{w 2.1}}{d_{w 1.2}} * \frac{1}{b} * s i n (β_{1})),$
wobei d_w2.1 den Wälzkreisdurchmesser des ersten Stufenrads 26 in der zweiten Getriebestufe 36 und d_w1.2 den Wälzkreisdurchmesser des ersten Stufenrads 26 in der ersten Getriebestufe 34 (vgl. 4) bezeichnet.
Kommen im Stirnradgetriebe 18 mehr als zwei Stufenräder zum Einsatz, wird der Schrägungswinkel β_x insbesondere in Abhängigkeit des Schrägungswinkels β_(x-1) bestimmt, wobei bevorzugt der Schrägungswinkel β_x der zweiten oder höheren Getriebestufe bestimmt ist nach folgender Formel (3): $β_{x} = a r c s i n (\frac{(n - x + 1) * d_{w .1}}{(n - x + b) * d_{w (x - 1) .2}} * s i n (β_{(x - 1)})),$
wobei x die Getriebestufe, n die Gesamtzahl der Getriebestufen, d_wx.1 den Wälzkreisdurchmesser des Ritzels in der jeweiligen Getriebestufe x und d_w(x-1).2 den Wälzkreisdurchmesser des Stufenrads in der vorgeschalteten Getriebestufe (x-1) bezeichnet.
Mit anderen Worten erfolgt eine iterative Berechnung des Schrägungswinkels, wodurch eine zielgerichtete Verteilung der auf die jeweiligen Lagerstellen wirkenden Axialkräfte realisiert werden kann.
Zum Ermitteln des Schrägungswinkels β₁ kann auch in diesem Fall Formel (1) herangezogen werden.
Der Faktor b hat erfindungsgemäß in den Formeln (1) bis (3) den gleichen Wert.

Claims

Gurtstraffer für ein Sicherheitsgurtsystem, mit einem Stirnradgetriebe (18), wobei das Stirnradgetriebe (18) mindestens ein Motorzahnrad (24) und mindestens ein erstes Stufenrad (26) und ein zweites Stufenrad (28) umfasst, wobei das Motorzahnrad (24) mit dem ersten Stufenrad (26) eine erste Getriebestufe (34) und das erste Stufenrad (26) mit dem zweiten Stufenrad (28) eine zweite Getriebestufe (36) bilden, wobei das Motorzahnrad (24) sowie jedes der Stufenräder (26, 28) eine Schrägverzahnung aufweisen und der Schrägungswinkel der Schrägverzahnung der zweiten Getriebestufe (36) in Abhängigkeit des Schrägungswinkels der ersten Getriebestufe (34) bestimmt ist, und wobei die Sprungüberdeckung mindestens einer Schrägverzahnung nicht ganzzahlig ist.
Gurtstraffer nach Anspruch 1, wobei der Schrägungswinkel mindestens einer Getriebestufe (34, 36) kleiner als 10° ist.
Gurtstraffer nach Anspruch 1 oder 2, wobei jedes der Stufenräder (26, 28) mittels einer axial durch das jeweilige Stufenrad (26, 28) verlaufenden Achse (38) ausgerichtet ist, die an einer der jeweiligen Achse (38) zugehörigen Lagerstelle (51) an einem Gehäuse (20) des Gurtstraffers (10) gelagert ist.
Gurtstraffer nach Anspruch 3, wobei auf die den jeweiligen Stufenrädern (26, 28) zugehörigen Lagerstellen (51) mit zunehmender Getriebestufe (34, 36) eine abnehmende axiale Kraft oder auf die den jeweiligen Stufenrädern (26, 28) zugehörigen Lagerstellen (51) eine im Wesentlichen gleich große axiale Kraft wirkt.
Gurtstraffer nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Achse (38) mindestens eines Stufenrads (26, 28) an einem ersten axialen Ende (40) der Achse mittels einer Spritzgussverbindung am Gehäuse (20) des Gurtstraffers (10) gelagert ist.
Gurtstraffer nach Anspruch 5, wobei die Achse (38) mindestens eines Stufenrads (26, 28) an einem zweiten axialen Ende (42) der Achse an einem Deckel (22) des Gurtstraffers (10) gelagert ist.
Gurtstraffer nach einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei der Schrägungswinkel der Schrägverzahnung der ersten Getriebestufe (34) bestimmt ist nach folgender Formel: $β_{1} = a r c s i n (\frac{F_{A x M} * d_{w 1.1}}{T_{M}} * \frac{1}{b}),$
wobei β₁ den Schrägungswinkel der ersten Getriebestufe (34), F_AxM die auf das Motorzahnrad (24) wirkende axiale Kraft, d_w1.1 den Wälzkreisdurchmesser des Motorzahnrads (24) in der ersten Getriebestufe, T_M das auf das Motorzahnrad (24) wirkende Antriebsdrehmoment und 1/b einen vorbestimmten Bruchteil der auf das Motorzahnrad (24) wirkenden axialen Kraft F_AxM, der auf die Lagerstelle (51) der ersten Getriebestufe (34) wirken soll, bezeichnet.
Gurtstraffer nach Anspruch 7, wobei der Schrägungswinkel der Schrägverzahnung der zweiten Getriebestufe (36) bestimmt ist nach folgender Formel: $β_{2} = a r c s i n (\frac{d_{w 2.1}}{d_{w 1.2}} * \frac{1}{b} * s i n (β_{1})),$
wobei β₂ den Schrägungswinkel der zweiten Getriebestufe (36), d_w2.1 den Wälzkreisdurchmesser des ersten Stufenrads (26) in der zweiten Getriebestufe (36) und d_w1.2 den Wälzkreisdurchmesser des ersten Stufenrads (26) in der ersten Getriebestufe (34) bezeichnet.
Gurtstraffer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Stirnradgetriebe (18) mehr als zwei Stufenräder (26, 28) und mehr als zwei Getriebestufen (34, 36) umfasst, wobei der Schrägungswinkel der Schrägverzahnung der zweiten oder höheren Getriebestufe in Abhängigkeit des Schrägungswinkels der jeweils vorgeschalteten Getriebestufe bestimmt ist.
Gurtstraffer nach Anspruch 9, wobei der Schrägungswinkel der zweiten oder höheren Getriebestufe jeweils bestimmt ist nach folgender Formel: $β_{x} = a r c s i n (\frac{(n - x + 1) * d_{w x .1}}{(n - x + b) * d_{w (x - 1) .2}} * s i n (β_{(x - 1)})),$
wobei β_x den Schrägungswinkel der jeweiligen Getriebestufe x, n die Gesamtzahl der Getriebestufen, d_wx.1 den Wälzkreisdurchmesser des Ritzels in der jeweiligen Getriebestufe x und d_w(x—1).2 den Wälzkreisdurchmesser des Stufenrads in der vorgeschalteten Getriebestufe (x-1) bezeichnet.