Die
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Gurtkraft-Messeinrichtung zu schaffen, welche
einfach und im Betrieb einer Gurtkraft- Messeinrichtung zuverlässig, magnetfeldtolerant
und präzise
ist.
Die
Aufgabe wird gelöst
durch die Merkmale des unabhängigen
Patentanspruchs. Der Erfindung liegt demnach die Erkenntnis zugrunde,
dass sich die in der Aufgabe gestellten Anforderungen sehr gut durch
die Verwendung von Dehnungsmessstreifen DMS erfüllen lassen. Um die Empfindlichkeit
der Messung steigern zu können,
wird ein Federelement in Form einer Messfeder eingeführt, die über eine erste
Lagerung und eine zweite Lagerung so im Kraftfluss angeordnet ist,
dass sie sich zwischen der ersten und zweiten Lagerung abhängig von
der Gurtkraft ausdehnt. An oder auf der Messfeder ist der Dehnungsmesssensor
angeordnet. Eine bevorzugte Sensoranordnung wird unter Bezug auf
die Zeichnung nachfolgend noch im Detail beschrieben werden. Vorteilhafterweise
ist eine erfindungsgemäße Anordnung
sehr kompakt, da die Messfeder in einem ohnehin vorhandenen Gehäuse eines
jeweiligen Gurtschlosses integriert angeordnet ist, insbesondere
nach Art eines weiteren Glieds in einer Kraftkette oder einem Kraftzug
vom Gurt über
mehrere Elemente hinweg. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung
sind in den Unteransprüchen
gekennzeichnet.
Eine
Messeinrichtung soll Gurtkräfte
im Bereich 0-150 N mit einer Genauigkeit von ca. +/-2,5% messen.
Im normalen Betrieb können
Gurtkräfte
bis 10.000 N auftreten. Diese dürfen
nicht zu Beschädigung
der Messeinrichtung oder des Gurtschlosses führen. Während eines Unfalls kann die
Gurtkraft bis zu F = 20.000 N ansteigen, wobei sich Gurtschloss und
Messeinrichtung auch in diesem Fall zwar bleibend verformen, aber
nicht versagen dürfen.
Es wird daher als Überlastungsschutz
für die
Messfeder ein in dem Gehäuse
und/oder dem Gurtschloss vorgesehener mechanischer Anschlag genutzt.
Dieser Anschlag kommt ab einer vorbestimmten Maximalbelastung durch
die Dehnung der Messfeder automatisch zustande. Sowohl das Gurtschloss,
als auch das Gehäuse
müssen
für die
vorstehend genannten maximalen Gurtkräfte ausgelegt sein. So ist
eine Realisierung der vorgeschlagenen Überlastsicherung mit keinem
weiter nennenswerten Mehraufwand verbunden.
Die
Messfeder ist in einer Weiterbildung der Erfindung so angeordnet,
dass ihre von der Gurtkraft abhängige
Ausdehnung vorzugsweise durch das Spiel einer in einem Gehäuse der
Gurtkraft-Messeinrichtung mit Spiel gelagerten Verriegelungslasche mechanisch
begrenzt ist. Da eine erfindungsgemäße Gurtkraftmesseinrichtung
in ein vorhandenes Gurtschloss integriert wird und so auch deren
Verriegelung und Überlastschutzeinrichtung
nutzen kann, ist der zusätzliche
bauliche und montagetechnische Aufwand für das Messsystem vergleichsweise
gering. Das nachfolgend noch im Detail beschriebene Messsystem kann
als komplette Elektronikkomponente an den Gurtschlosshersteller
geliefert und dort als Baugruppe eingebaut werden.
Die
Messfeder ist vorzugsweise in der ersten Lagerung gelenkig gelagert.
Damit kann unabhängig von
der Ausführung
eines jeweiligen Verschluss-Mechanismus des eigentlichen Gurtschlosses
sichergestellt werden, dass keine Biegebeanspruchungen auf die Messfeder übertragen
werden. So werden durch Biegespannungen innerhalb der Messfeder
hervorgerufene Messfehler oder größere Abweichungen vermieden.
Die sonst durch Querkräfte
möglicherweise
auftretende Biegung erzeugt gewisse Reibung und reibungsbedingte
Hysterese an einer Verriegelungslasche der Messfeder, jedoch keine
biegebedingte Fehlmessung, da die Biegung nicht an die Messfeder
weitergegeben wird. In einer Ausführungsform ist die Messfeder
auch in der zweiten Lagerung gelenkig gelagert, um auch von der
entgegengesetzten Seite auf die Messfeder keine Biegebeanspruchungen übertragen
zu können.
Zudem wird die Messfeder vorzugsweise auch verdrehsicher in dem
Gehäuse
angeordnet, was vorteilhafterweise ebenfalls über eine der Lagerungen bewerkstelligt wird.
Das
Sensorelement umfasst in einer Ausführungsform mindestens einen
auf der Messfeder aufgedruckten Dehnungsmesssensor in Form einer Dehnungsmessstruktur.
Hierbei können
Dickschicht wie auch Dünnschicht-Elemente
zum Einsatz kommen. In einer alternativen Ausführungsform umfasst das Sensorelement
mindestens eine Dehnungsmessstruktur, die als Chip-Dehnungsmesssensor
auf der Messfeder aufgeglast oder aufprozessiert ist. Vorzugsweise
kommt ein silicon strain gage-Bauteil als
Dehnungsmesser zum Einsatz. Dieses Bauteil ist beispielsweise gemäß der Lehre
der internationalen Patentanmeldung WO01/08227 A1 aufgebaut. Hierbei
handelt es sich um eine nur ca. 8 μm dicke Messbrücke, die
das Ergebnis eines Abdünnungsprozesses
aus einer Halbleiterschicht mit Eindiffundierungen ist.
Das
bei anderen Vorrichtungen auftretende Problem einer Nullpunktverschiebung
durch Auflagerverschiebung und Hysterese durch Auflagerreibung wird
durch die direkte Fixierung der Dehnmessstrukturen auf die Messfeder
vermieden. Resistive Dehnungsmesswiderstände ändern ihre Eigenschaften zudem
auch in Magnetfeldern nicht, daher wird die Systemgenauigkeit nicht
von störenden
Magnetfeldern beeinträchtigt,
wie dies insbesondere bei Hall-Messsensoren der Fall ist.
Vorzugsweise
ist das Sensorelement als Brückenschaltung
gleichartiger Dehnungsmesssensoren ausgebildet. Insbesondere wird
die Bauform einer Wheatstone-Brückenschaltung
gewählt,
in der zwei Dehnungsmesssensoren zur Messung und zwei weitere als
Referenzen genutzt werden.
Bei Überlastung
des Gurtschlosses wird die Überlast
im Wesentlichen von der Verriegelungsmechanik aufgenommen. Bis diese
in Kontakt kommt, wird die Messfeder gedehnt. Eine sehr hochfeste Messfeder,
die diese Last elastisch erträgt,
ist in Kombination mit sehr guter Passgenauigkeit aller Komponenten
der Messfeder realisierbar. Um diese Genauigkeitsanforderungen wesentlich
reduzieren zu können,
wird eine Messfeder vorzugsweise etwas "zu kurz" hergestellt. Nach oder bei einer Montage
in einem Gurtschloss wird eine jeweilige Gebrauchs- oder Einsatzlänge durch
im Wesentlichen ein malige kräftige
Belastung eingestellt. Um bei diesem Recken die eigentliche Messbrücke nicht
zu beschädigen,
wird die Verformung bewusst in eine andere Zone als die Messbrücke gelegt.
In einer wesentlichen Weiterbildung der Erfindung weist die Messfeder
daher zwischen den Befestigungs- oder Krafteinleitungsstellen mindestens
zwei Zonen unterschiedlicher Federsteifigkeit auf. Diese Zonen liegen
in Serie zueinander. Sie schließen
den Bereich der Messstruktur dabei im Wesentlichen ein.
In
einer Ausführungsform
der Erfindung weist die Messfeder zwei Zonen mit geringerer Federsteifigkeit
auf, die an eine Zone höherer
Federsteifigkeit anschließen.
Der Messsensor ist in der Zone höherer
Federsteifigkeit angeordnet. Dabei ist die Messfeder in ihrer Gesamtlänge über eine
Verformung der Zonen mit geringerer Federsteifigkeit einstellbar,
so dass die Messefeder auch in Ruhelage unter Vorspannung einsetzbar
ist. Hier kann eine thermische Erweichung, z.B. induktiv, dieser
Zone während
des Reckenvorganges angewendet werden, wenn die Plastizität des Materials
nicht ausreicht.
Dabei
können
auch die Befestigungs- oder Krafteinleitungsstellen der Messfeder
zu einer Verdrehsicherung ausgebildet werden, indem jeweils eine
mindestens doppelt ausgeführte
Lagerung der Messfeder vorgesehen ist. Vorzugsweise wird jeweils ein
Zapfen gewählt,
der durch eine Ausnehmung hindurch oder in diese hineingreift. Werden
Zapfen und Ausnehmung in aufeinander angepasster Form im Wesentlichen
senkrecht zu einer Belastungsrichtung länglich ausgebildet, so ergibt
sich ebenfalls eine ausreichende Verdrehsicherung für die Messfeder bei
nur einfacher Lagerung. Die letztgenannte Lösung zeichnet sich dabei durch
eine Fertigungsvereinfachung aus.
Die
vorliegende Erfindung wird zur Darstellung weiterer Merkmale und
Vorteile einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung anhand eines
bevorzugten Ausführungsbeispiels
näher erläutert. Es
zeigen:
1 eine Draufsicht auf ein
Gurtschloss mit einer Gurtkraft-Messeinrichtung,
2 einen Schnitt durch das
Gurtschloss mit Gurtkraft-Messeinrichtung
gemäß 1 längs einer Linie II, II'
3 eine Messfeder, die in
der Gurtkraft-Messeinrichtung
gemäß 1 und 2 angeordnet ist.
Elemente
gleicher Konstruktion und Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen
Bezugszeichen versehen.
In 1 ist ein geöffnetes
Gurtschloss 1 in einer Draufsicht dargestellt, wie es in
einem nicht weiter dargestellten Kraftfahrzeug in bekannter Weise
eingesetzt wird. Das Gurtschloss 1 umfasst ein Gehäuse 2,
in das eine Niete 3 formschlüssig eingebracht ist. Die Niete 3 verbindet
das Gehäuse 2 über ein
Seil 4 mit einem Anker 5. Der Anker 5 ist
schließlich
an der Karosserie des Fahrzeugs oder auch an einem Sitz des Fahrzeugs
befestigt. In dem Gehäuse 2 ist
ein Schlitz 6 zum Einführen
eines Gegenstücks vorgesehen,
das nicht weiter dargestellt ist. Das Gegenstück ist in bekannter Weise mit
einem Gurt gekoppelt, um eine i.d.R. als Dreipunkt-Gurt ausgebildete
Sicherungsvorrichtung zu schaffen.
Ferner
ist in dem Gehäuse 2 des
Gurtschlosses 1 eine Ver- und Entriegelungsvorrichtung 7 vorgesehen,
die das Gegenstück
in dem Gurtschloss 1 ver- bzw. entriegelt. Die Ver- und
Entriegelungsvorrichtung 7 umfasst ein Rastteil 8,
das aus Plastik ausgebildet ist, und ferner eine Feder 9.
Die Feder 9 ist einerseits mit dem Rastteil 8 und
andererseits mit einer Verriegelungslasche 10 gekoppelt.
Die Ver- und Entriegelungsvorrichtung 7 ist dabei so ausgebildet und
angeordnet, dass der Kraftfluss im verrasteten Zustand des Rastteils 8 von
dem Gegenstück über das
Rastteil 8 direkt zu der Verriegelungslasche 10 erfolgt.
Die
Verriegelungslasche 10 ist mit Spiel derart in dem Gehäuse 2 gelagert,
dass sie sich parallel zu einer Achse 11 hin- und herbewegen kann.
Dabei ist ein axiales Spiel, das diese Beweglichkeit ermöglicht,
in etwa in einem Bereich von 1 mm gewählt.
Die
Verriegelungslasche 10 ist mit einer Messfeder 12 gekoppelt.
Die Messfeder 12 ist an einem freien Ende 13 mit
der Niete 3 und damit dem Gehäuse 2 gekoppelt. Die
im Gurt wirkende Kraft wird somit bei verriegeltem Gegenstück über dieses und
anschließend
das Rastteil 8, die Verriegelungslasche 10, die
Messfeder 12, die Niete 3 schließlich hin zum
Anker 5 übertragen,
solange die Kraft noch nicht so hoch ist, dass die Verriegelungslasche 10 im
Rahmen ihrer mit Spiel vorgesehenen Lagerung an einen ihrer Anschlagpunkte
am Gehäuse 2 gelangt
ist. Sobald die Verriegelungslasche an einem ihrer Anschlagpunkte
angelangt ist, wird ein Teil der Kraft dann direkt von der Verriegelungslasche 10 über das Gehäuse 2,
die Niete 3 hin zu dem Anker 5 übertragen.
Die
Messfeder 12 weist mehrere Abschnitte auf. Dem freien Ende 13 gegenüberliegend
ist ein freies Ende 14 angeordnet. Beide freien Enden 13, 14 weisen
längliche
Ausnehmungen 15, 16 zur Fixierung im Kraftfluss
des Gurtschlosses 1 auf. Die Ausnehmung 15 ist über einen
Zapfen 17 mit der Verriegelungslasche 10 gelenkig
angekoppelt. Die Ausnehmung 16 bildet zusammen mit der
Niete 3 eine zweite Lagerung der Messfeder 12,
die hier starr ausgebildet ist. Die Ausnehmungen 15, 16 dienen
also der Anbringung der Messfeder 12 im Gurtschloss 1 und der
Krafteinleitung. Dabei ist zu berücksichtigen, dass die Verriegelungslasche 10 bei
Gebrauch eine mindestens teilweise rotierende Bewegung ausübt, so dass
Biegespannungen auf die Messfeder 12 übertragen werden könnten.
Eine
erste Lagerung der Messfeder 12 erfolgt am freien Ende 13 über die
Ausnehmung 15 und den Zapfen 17, die so ausgebildet
sind, dass die Lagerung gelenkig erfolgt. Dadurch ist gewährleistet, dass
von der Verriegelungslasche 10 hin zu der Messfeder 12 und
umgekehrt keine Biegekräfte übertragen
werden können,
welche das Messsignal verfälschen
würde.
Der Zapfen 17 und die Ausnehmung 15 sind in aufeinander
angepasster Form im Wesentlichen senkrecht zu einer Belastungsrichtung
länglich ausgebildet.
So ergibt sich bei einfacher Fertigung neben einer gelenkigen Anbindung
auch eine ausreichende Verdrehsicherung für die Messfeder 12,
insbesondere bei Krafteingriff. Auch die zweite Lagerung, d. h.
die Kopplung der kreisförmigen
Ausnehmung 29 mit der Niete 3 ist gelenkig ausgebildet,
so dass auch hier keine Biegekräfte
auf die Messfeder 12 übertragen
werden können
und somit auch von dieser Seite eine Verfälschung des Messsignals verhindert
ist.
Zwischen
den freien Enden 13, 14 der Messfeder 12 sind
zwei im Wesentlichen ovale Ausnehmungen 18, 19 in
der Messfeder 12 vorgesehen. Hierdurch werden um die Ausnehmungen 18, 19 zwei
Bereiche 20, 21 geringer Federsteifigkeit geschaffen,
die zum Toleranzausgleich und auch zu einer Anpassung einer Gesamtlänge L der
Messfeder 12 genutzt werden können. Die Bereiche 20, 21 werden
durch einen Abschnitt 22 mit höherer Federsteifigkeit und
entsprechend bei Belastung geringerer Längenausdehnung miteinander
verbunden.
In
dem dargestellten Ausführungsbeispiel
ist die Messfeder 12 aus 420 Stahl-Blech einstückig ausgestanzt
worden. Im Bereich des Abschnitts 22 ist eine Dehnungsmessstruktur 23 aufprozessiert
worden. Hierzu ist ein Dickschichtverfahren angewendet worden. Eine
noch höhere
Genauigkeit lässt
sich mit einer Messfeder aus 17-4PH und Dünnfilm- Dehnmesswiderständen oder
auf geglasten micro strain gage erzielen. Das Sensorelement wird
als Dehnungsmessstruktur 23 vorzugsweise in Form eines ASICs
ausgebildet und umfasst auch eine Auswerte- und Signalaufbereitungselektronik.
Auf
eine graphische Darstellung dieser Variationen wird hier verzichtet,
da diese Lösungen
alle auf dem Einbau der Messfeder 12 basieren und durch
ihre direkte Befestigung auf der Messfeder 12 in einem
besonderen Bereich, dem Abschnitt 22, ohne nennenswerte
Hysterese-Verluste arbeiten. Das Messsignal des Sensorelements ist
damit charakteristisch für
die auf die Messfeder 12 einwirkende Kraft.
Das
gezeigte Ausführungsbeispiel
eines Gurtschlosses 1 mit integrierter Kraftmess-Einrichtung
besitzt eine Messfeder 12 mit aufprozessierter Wheatstonescher
Brücke 24 als
Dehnungsmessstruktur 23. Die nebeneinander in dem Abschnitt 22 dargestellten
Widerstände 25 liefern
das eigentliche Messsignal. Die einzeln in den Bereichen 20, 21 angeordneten
Widerstände 26 dienen
als Referenz. Über
Kontaktpunkte 27 werden die Signale in bekannter Weise
abgegriffen und zur Aufbereitung und Weiterverarbeitung abgeleitet.
Die
Federkonstante der gesamten Messfeder 12 wird so gewählt, dass
der zu messende Kraftbereich, der beispielsweise 0 bis 150 N beträgt, von dem
Sensorelement erfasst wird. Von der Erkennung einer geringen Gurtkraft
bei Fixierung eines Kindersitzes, bis hin zu einer Airbag-Ansteuerung
für einen Erwachsenen
bei einem Unfall kann jede Belastung sicher gemessen werden. D.
h. die Auslenkung der Messfeder 12 bei der maximal zu erfassenden
Kraft muss so sein, dass die Verriegelungslasche 10 bei dieser
Kraft gerade noch nicht ihren Anlagepunkt innerhalb des Gehäuses 2 erreicht
hat. Steigt die Kraft, die vom Gurt übertragen wird, über einen
Wert an, der über
dem Wert liegt, der zu einer Auslenkung der Messfeder 12 führt, bei
der die Messfeder 12 über
die Verriegelungslasche 10 an ihrem Anschlag anliegt, so
bleibt die über
die Messfeder 12 übertragene
Kraft auch bei weiter ansteigender Kraft konstant und begrenzt.
Die Feder 12 wird über das
Gehäuse 2 abgestützt und
so vor Überlastung
geschützt.
Dadurch ist dann sichergestellt, dass die Messfeder 12 im
Einsatzfall nicht plastisch verformt wird und somit stets zuverlässig und
dauerhaft einsatzfähig
ist.
Die
Messfeder 12 ist im vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel
als Stanzteil aus einem Federstahlband ausgebildet. Sie kann aber
durch einen Fachmann auch in ihrer Funktion als Zugfeder mit Dehnungsmessstruktur 23 als
Drahtbiegefeder mit entsprechenden Ösen zur Fixierung und Bereichen
für die
Widerstände 25, 26 oder
einen ASIC-Chip ausgebildet sein.
In
jedem Fall ist die Messfeder 12 in der dargestellten Weise
in dem Gehäuse 2 eines
bekannten Gurtschlosses 1 integrierbar. Eine besondere
Anpassung der bereits vorhandenen Teile ist dazu in keinem großen Umfang
erforderlich. Der Gurtkraftsensor braucht Schutz durch ein Gehäuse oder
eine Abdeckung gegen äußerliche
Einflüsse,
es kann aber hierzu das Gehäuse 2 des
Gurtschlosses 1 in der vorstehenden Weise genutzt werden.
Hierzu ist eine nur geringfügige
Verlängerung
des Gehäuses 2 erforderlich.
Die
Wirkungsweise über
die Messung einer Dehnung der Messfeder 12 unter Zug ist
durch die Verwendung mindestens einer direkt mit der Messfeder 12 Dehnungsmessstruktur 23 auch
gegenüber starken
Magnetfeldern unempfindlich. Ferner liefert eine Messung der vorstehend
beschriebenen Art auch in einem unteren Messbereich ausreichend
genaue Ergebnisse, um z.B. einen auf einem Sitzplatz positionierten
und mittels Gurt fixierten Kindersitz für einen Säugling sicher zu erkennen.
Gerade bei Leichtbau-Ausführungen
aus Styropor oder anderen Leicht-Schäumen kommt es bei bekannten
Vorrichtungen aufgrund der geringen Sitzkraft und einer unwesentlichen
Gurtkraft zu Erkennungsfehlern. Bei einer schwereren Anordnung,
die im Wesentlichen durch den Gurt unter höherer Gurtkraft auf dem Sitzplatz
eingespannt werden, wird nach bekannten Verfahren und den entsprechenden
Vorrichtungen statt eines Kindes ein Erwachsener detektiert. Diese
Fehldiagnose kann insbesondere im Fall einer Airbag-Auslösung für ein Kind
lebensgefährlich
sein. Durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung
kann eine jeweilige Gurtkraft störungsarm
und zuverlässig
bestimmt werden, so dass wesentliche Fehlerquellen ausgeschaltet
werden können:
Das Federelement 12 steht unter Vorspannung und die Messstruktur 23 spricht
sofort an. Der integrierte Überlastungsschutz mit
dem Zusammenwirken von Verriegelungslasche 10 und dem Gehäuse 2 des
Gurtschlosses 1 garantiert dabei eine fehlerfreie Funktion
auch nach mehrfacher, hoher Beanspruchung des Gurtkraftmesssystems
mit einer mehr als 10-fachen Überlast.