-
Die vorliegende Erfindung betrifft einen pyrotechnischen Aktuator mit einem Gaserzeuger, der einen Zünder umfasst, mit einem Gehäuse und mit einem im Gehäuse verschiebbaren Kolben, der an seinem dem Gaserzeuger zugewandten Ende eine Dichtfläche aufweist, die während der Bewegung in Richtung Endlage am Gehäuse gleitend den Spalt zwischen Gehäuse und Kolben abdichtet, wobei die Dichtfläche in der Ausgangslage in einem Bereich des Gehäuses liegt, der im Vergleich zu dem Bereich, den die Dichtfläche während der Bewegung in Richtung Endlage überstreicht, einen vergrößerten Durchmesser aufweist.
-
Pyrotechnische Aktuatoren werden in der Automobilindustrie eingesetzt, wenn es darauf ankommt, Sicherheitsfunktionen sehr schnell zu aktivieren. Die pyrotechnischen Aktuatoren sind zwar nicht mehrfach verwendbar, bieten aber bei kleinem Bauraum und niedrigem Gewicht eine große Leistungsfähigkeit. Geht man von seltener Verwendung aus, ist dies eine sehr effiziente Lösung. Bekannte Anwendungen sind die Anhebung der Motorhaube im Scharnier- und im Schlossbereich, um zusätzlichen Dämpfungsraum für den Kopfaufprall eines Fußgängers im Crashfall zu erzeugen. Eine andere Anwendung sind pyrotechnische Stromtrenner, die bei Elektrofahrzeugen den Betriebsstrom im Falle eines Unfalls oder eines anderen Störfalls schlagartig unterbrechen, indem sie einen Leiter durchschlagen, z.B. indem sie aus dem Leiter ein Stück herausschlagen.
-
Ein Aktuator der eingangs genannten Art ist aus
US 4860698 A bekannt. Der dort beschriebene Kolben besteht aus einem elastischen Metall und ist im Bereich des dem Gaserzeuger zugewandten Endes hohl ausgebildet. Die Wand des Kolbens erweitert sich an diesem Ende konisch. Das Gehäuse hat eine gegengleiche Form, allerdings mit etwas geringerem Öffnungswinkel, sodass der Kolben mit seinem konischen Ende unter elastischer Vorspannung am Gehäuse anliegt. (Siehe Sp. 4, Z 45-52 dieser Schrift sowie deren
3a und
3b.) Damit dies möglich ist, besteht der Kolben aus gehärtetem Stahl (siehe Sp. 3, Z 10-11 dieser Schrift). Dadurch wird ermöglicht, dass der Kolben auch nach vielen Jahren noch mit elastischer Vorspannung am Gehäuse anliegt, aber ein Kolben aus gehärtetem Stahl ist in der Herstellung relativ teuer.
-
Aus AT 12351 U1 ist eine andere Lösung bekannt. Hier ist an dem Kolben an seinem dem Gaserzeuger zugewandten Ende ein Dichtelement angebracht, und dieses Dichtelement ist sowohl gegenüber dem Kolben als auch gegenüber dem Gehäuse mit jeweils einem O-Ring abgedichtet.
-
Die Erfinder der vorliegenden Anmeldung versuchten, diese Ausführung kostenmäßig weiter zu optimieren und den O-Ring zwischen Dichtelement und Gehäuse einzusparen. Es bestand die Hoffnung, dass das Dichtelement kostengünstig als Spritzgussteil, z.B. aus Polyamid, hergestellt werden kann, welches auf Grund seiner Elastizität die Abdichtung übernehmen kann. Es zeigte sich jedoch, dass diese Ausführung keine ausreichende Temperaturstabilität hat.
-
Die Anhebung im Schlossbereich ist besonders herausfordernd, weil bei einer Integration des Aktuators im Mechanismus des Schlosses nur wenig Platz zur Verfügung steht und der Aktuator die Funktion des Schlosses nicht behindern soll, was eine leichte Rückstellbarkeit erfordert. Als Nachteil kommt hinzu, dass sich das Schloss in der Nähe der Kühlerbrücke befindet, oft auch direkt daran montiert ist, und deshalb deutlich erhöhten Temperaturen ausgesetzt ist. Diese Kombination aus hoher Temperaturbeständigkeit und leichter Rückstellbarkeit bei gleichzeitig geringen Herstellungskosten ist bis jetzt noch nicht ausreichend gut gelöst.
-
Wie im Rahmen der vorliegenden Erfindung festgestellt wurde, ist das Problem der geringen Temperaturbeständigkeit die Abdichtung zwischen Gehäuse und Kolben. Das Gehäuse weist üblicher Weise einen konstanten Durchmesser auf, das heißt das Dichtelement liegt mit Vorspannung am Gehäuse an. Wird das Dichtelement nun oftmals stark erwärmt, verformt es sich plastisch, es wird auf den Innendurchmesser des Gehäuses kalibriert, die Vorspannung geht nach und nach verloren. Eine Erhöhung der Vorspannung würde diesen Effekt zwar verlangsamen, aber die Reibung erhöhen, sodass der Aktuator - zumindest, wenn er noch relativ neu ist - nur mit großem Kraftaufwand rückstellbar wäre.
-
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen pyrotechnischen Aktuator zu schaffen, der kostengünstig herstellbar ist, leicht rückstellbar ist und höhere Temperaturbeständigkeit aufweist.
-
Diese Aufgabe wird durch einen pyrotechnischen Aktuator der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Dichtfläche Teil eines am Kolben befestigten Dichtelements ist, dass das Dichtelement ein Spritzgussteil ist, dass der Kolben radial fixiert ist und dass die Dichtfläche gegenüber der Innenwand des Gehäuses radial freigestellt ist.
-
Erfindungsgemäß ist das Dichtelement, welches als kostengünstiges Spritzgussteil ausgeführt ist, im Ausgangszustand nicht vorgespannt. Dadurch wird es bei der einwirkenden Temperaturwechsel-Belastung nicht auf den Innendurchmesser des Gehäuses des Aktivators kalibriert. Bei Zündung des Zünders bzw. des Gasgenerators zum Antrieb des Kolbens bewegt sich der Kolben vorwärts, wodurch das Dichtelement in einen etwas engeren Bereich des Gehäuses und somit unter Spannung kommt und somit dichtend wirkt.
-
Damit die Dichtfläche tatsächlich nirgendwo vorgespannt ist, muss der Kolben radial fixiert sein. Dies ist möglich, indem sich der Kolben in der Ausgangslage mit seiner Schulter gegen das Gehäuse abstützt, und/oder dadurch, dass der Zünder eine Zünderkappe aufweist und dass der Kolben im Ausgangszustand durch die Zünderkappe radial fixiert ist.
-
Damit der Aktuator möglichst kompakt ist, ist es zweckmäßig, wenn der Bereich des Gehäuses mit vergrößertem Durchmesser weniger als 5 mm, besonders bevorzugt weniger als 3 mm, von der Ausgangslage der Dichtfläche entfernt endet.
-
Am besten ist es, wenn der Bereich des Gehäuses mit vergrößertem Durchmesser unmittelbar neben der Ausgangslage der Dichtfläche endet, nicht nur wegen der Kompaktheit, sondern auch deswegen, weil dadurch der Kolben in der Ausgangslage zumindest lose fixiert ist.
-
Durch den vergrößerten Durchmesser ergibt sich zwangsläufig eine Stufe, die vorzugsweise konisch ausgebildet ist. Der weitere Innendurchmesser der Laufbahn kann entweder bis zu dem Ende des gewünschten Hubs zylindrisch sein, oder eine weitere Stufe zur Verengung besitzen, oder kegelstumpfartig mit kleiner werdendem Innendurchmesser sein.
-
Die Variante mit zusätzlicher Stufe im Rohr ist besonders gut geeignet, wenn der Aktuator erst in ein Antriebssystem, z.B. eine Kulisse, eingreift und erst zu einem späteren Zeitpunkt die Hebearbeit leistet, d.h. wenn zunächst ein gewisser Totgang vorhanden ist. Nach Überwindung des Totgangs muss die Abdichtung zwischen Innenfläche des Gehäuses und dem Kolben bereits entsprechend druckbelastbar sein, was eine entsprechende Überdeckung zwischen Dichtlippe (in entspanntem Zustand) und Innenwand des Gehäuses erfordert.
-
Die Variante mit einem Durchmessersprung und/oder kegelförmiger Abnahme des Innendurchmessers ist fertigungstechnisch besonders gut herstellbar, wenn das Gehäuse des Aktuators durch Tiefziehen hergestellt wird.
-
Die Variante mit zylindrischem Durchmesser der Innenfläche des Gehäuses ist für geringere Kräfte vorgesehen, weil bei größerer Überdeckung die Rückschiebekräfte höher liegen.
-
Das Dichtelement besteht vorzugsweise aus Polyamid und ist wärmestabilisiert, damit es den Temperaturschwankungen standhält.
-
Der Kolben ist vorzugsweise ein Tiefziehteil.
-
Die Fixierung des Dichtelements im Kolben kann durch einen Niet erfolgen, alternativ dazu, wenn das Dichtelement den Kolben ringartig umgibt, also zur Gänze außerhalb des Kolbens liegt, kann die Fixierung dadurch erfolgen, dass das Dichtelement durch Anstauchung oder Auftulpung des Kolbens am Kolben fixiert ist.
-
Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Gehäuse eine Abströmöffnung besitzt. Auf diese Weise wird der Druck nach der Auslösung abgebaut und somit das Zurückdrücken erleichtert. Wenn die Länge der Dichtfläche kleiner als die Länge der Abströmöffnung - jeweils in Bewegungsrichtung des Kolbens betrachtet - ist, verliert die Dichtlippe bei Überfahren der Abströmöffnung ihre Dichtfunktion. Beim Überfahren der Abströmöffnung mit dem Dichtelement kommt es nämlich durch die heißen Gase zu einer Auswaschung des Kunststoffs, die die Dichtheit beeinträchtigt und somit das Einschließen von Luft beim Reversieren des Kolbens vermindert. Dieser Effekt tritt besonders dann auf, wenn die Auflagefläche des Dichtelements am Gehäuse kürzer als die Länge der Abströmöffnung ist. Es ist dabei günstig, wenn das Gehäuse von einem Außengehäuse aus Kunststoff umhüllt ist, welches die Abströmöffnung abdeckt. Auf diese Weise wird verhindert, dass Staub, Feuchtigkeit und dergleichen in das Innere des Gehäuses eindringen. Beim Auslösen des Aktuators ist der Druck so hoch, dass sich das Gas einen Weg zwischen dem Außengehäuse und dem Gehäuse sucht, wenn das Außengehäuse aus Kunststoff nicht ohnehin bricht.
-
An Hand der beiliegenden Zeichnungen wird die vorliegende Erfindung näher erläutert. Es zeigt: 1 das zünderseitige Ende eines erfindungsgemäßen Aktuators in Ausgangslage; 2 denselben kurz nach der Auslösung; und 3 denselben geringfügig später.
-
Das Gehäuse 11 des Ausführungsbeispiels weist am zünderseitigen Ende (rechts in den Abbildungen) einen Bereich 18 mit vergrößertem Durchmesser auf. Es sind zwei Abwinkelungen 12, 13 vorhanden, zwischen denen ein konischer Bereich 14 liegt, sodass sich eine (abgeflachte) Stufe ergibt. Links von dem konischen Bereich 14, in einem Bereich 19, ist der Durchmesser des Gehäuses 11 geringer als im Bereich 18 rechts davon.
-
Es sind noch zwei weitere Abwinkelungen 15, 16 vorhanden, zwischen denen sich ein weiterer konischer Bereich 17 befindet, sodass sich eine weitere (stark abgeflachte) Stufe ergibt. Die Konizität des konischen Bereichs 17 ist jedoch wesentlich geringer als die Konizität des konischen Bereichs 14. Dennoch gilt auch hier, dass der Durchmesser des Gehäuses 11 links vom konischen Bereich 17, in einem Bereich 20, (geringfügig) kleiner ist als im Bereich 19 rechts davon.
-
Im Bereich 18 mit vergrößertem Durchmesser befindet sich ein Zünder, von dem im Wesentlichen nur die Zünderkappe 41 dargestellt ist.
-
Im Gehäuse 11 befindet sich wie üblich ein Kolben 21, der an seinem zünderseitigen Ende eine konische Erweiterung 24 aufweist, die von zwei Abwinkelungen 22, 23 begrenzt ist. In das zünderseitige Ende ist ein Dichtelement 31 eingesetzt, das - an seinem der Zünderkappe 41 zugewandten Ende - eine Dichtfläche 32 in Form einer Dichtlippe 32 aufweist. Die Dichtlippe 32 hat einen geringen Abstand zum Gehäuse 11. Die Zünderkappe 41 liegt innerhalb der Dichtlippe 32 am Dichtelement 31 an, sodass das Dichtelement 31 und somit auch der Kolben 21 in der Ausgangslage radial fixiert sind und somit sichergestellt ist, dass die Dichtlippe 32 nirgends das Gehäuse 11 berührt. Das Dichtelement 31 ist durchgehend hohl, aber der Kolben 21 ist an seinem zünderfernen Ende (nicht dargestellt) geschlossen, sodass der Druck, der beim Zünden des Zünders entsteht, nicht entweichen kann. Der Kolben 21 kann insbesondere durch Tiefziehen hergestellt, also einstückig, sein.
-
Zwischen dem Dichtelement 31 und dem Kolben 21 befindet sich eine O-Ring-Dichtung 33. Diese O-Ring-Dichtung 33 verhindert, dass Gase aus dem Inneren des Kolbens 21 zwischen Dichtelement 31 und Kolben 21 in das Gehäuse 11 strömen und dort einen Gegendruck aufbauen können. Sie bewirkt weiters eine gewisse Fixierung des Dichtelements 31 im Kolben 21.
-
Im Zusammenspiel der Komponenten findet der Ablauf folgendermaßen statt, wobei im Folgenden auf einen Aktuator Bezug genommen wird, bei dem eine Kolbenstange ausgefahren wird (die Bewegung in Richtung Endlage also eine Ausschubbewegung ist):
- Während der Lebensdauer ändert das Dichtelement 31 und insbesondere die Dichtlippe 32 durch den Einfluss der Temperatur seine bzw. ihre Dimension nicht, denn die Dichtlippe 32 ist in Einbaulage nicht vorgespannt und wird deshalb auch nicht bei den Phasen hoher Temperatur auf den Innendurchmesser des Gehäuses 11 kalibriert, um danach bei Auslösung bei Raumtemperatur zu klein zu sein. Dieser Effekt ist besonders bei niedrigen Innendrücken, die die Dichtlippe 32 nicht gegen die Innenwand des Gehäuses 11 drücken können, zu berücksichtigen.
-
Bei Auslösung verlässt der Kolben 21 seine Ausgangslage und kommt nach ca. 1-2 mm in den ersten Bereich 19 mit verkleinertem Durchmesser (siehe 2). Hier ist die Dichtlippe 32 bereits etwas radial vorgespannt und treibt den Mechanismus zur Anhebung des Schließbügels an. (In 2 ist die Dichtlippe 32 im entspannten Zustand gezeichnet, sodass sie mit dem Gehäuse 11 überlappt. Tatsächlich wird sie natürlich nach innen gedrückt, sodass sie mit Druck an der Innenseite des Gehäuses 11 anliegt.)
-
Kurz bevor im Antriebssystem der Kraftschluss zur eigentlichen Hubarbeit eintritt, kommt die Dichtlippe 32 in den Bereich 17, wo sich der Durchmesser des Gehäuses zum zweiten Mal verjüngt, sodass die Vorspannung der Dichtlippe 32 für die maximale Druckbelastbarkeit erreicht wird, und ausreichend Kraft für die Anstellung zur Verfügung steht (siehe 3).
-
Nach Erreichen der geforderten Ausschublänge wird der Aktuator mittels einer Abströmöffnung 34 im Gehäuse 11 entlüftet. Zur Reversion wird eine Rückholfeder verwendet, die in diesem Zustand die größte Vorspannung besitzt. Wird die Verriegelung der oberen Position des Schlosses wieder freigegeben, drückt die Rückholfeder mit sinkender Kraft den Aktuator zurück in die Ausgangslage. Beim Erreichen des konischen Bereichs 17 findet eine starke Verringerung der Reibung statt, weil sich der Durchmesser vergrößert, wodurch die Reversierung deutlich erleichtert wird. Im Falle eines konischen Innendurchmessers sinkt die Reibungskraft kontinuierlich mit der Rückschiebebewegung.
-
Als Dichtelement 31 sind Spritzgussteile aus Thermoplasten vorgesehen, die als Dichtfläche 32 eine Dichtlippe aufweisen. Als Material ist Polyamid bevorzugt, besonders bevorzugt mit wärmestabilisierenden Zusätzen. O-Ringe sind zwar möglich, aber weniger geeignet, da sie einerseits große Toleranzen der Schnurstärke aufweisen und andererseits eine hohe Reibung zum Gehäuse 11 aufbauen, die mit einer vertretbaren Rückholfeder nur schwer überwunden werden kann.
-
Der Kolben 21 kann ein Drehteil sein, bevorzugt ist jedoch die Ausbildung als Tiefziehteil. Bei einem tiefgezogenen Kolben 21 kann die Schulter 25 des Kolbens 21 durch Rohrumformung gebildet und dadurch das Dichtelement 31 fixiert werden. Alternativ kann das Dichtelement 31 auch mittels eines Nietes im Kolben 21 fixiert werden.
-
Besonders bevorzugt stützt sich in Ausgangslage die Schulter 25 des Kolbens 21 gegen die Gehäuseinnenwand, ohne dass das Dichtelement 31 die Gehäuseinnenwand radial berührt.
-
Die Position des Kolbens 21 ist am zünderfernen Ende durch das außenliegende (Kunststoff-)Gehäuse 11 axial bestimmt, durch die Zünderkappe 41 ist das zündernahe Ende des Kolbens 21 in radialer Richtung definiert. Dies dient zur Verminderung von Klingelgeräuschen.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
