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Hintergrund der Erfindung
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Diese Erfindung betrifft im Allgemeinen das Bereitstellen oder Zuführen von Füllgas. Insbesondere betrifft die Erfindung Einrichtungen zum Bereitstellen oder Zuführen eines Füllgases, wie es für bestimmte aufblasbare, passive Rückhaltesysteme zum Gebrauch in Fahrzeugen zum Zurückhalten der Bewegung eines Insassen im Falle eines Fahrzeugzusammenpralls gewünscht sein kann, sowie Verfahren zum Bilden oder Herstellen derartiger Inflatoreinrichtungen.
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Es ist allgemein bekannt, einen Fahrzeuginsassen mithilfe von Sicherheitsrückhaltesystemen zu schützen, die sich selbsttätig aus einem nicht ausgelösten in einen ausgelösten Zustand versetzen, ohne ein Eingreifen des Betreibers zu erfordern, d. h. „passive Rückhaltesysteme”. Derartige Systeme enthalten oder beinhalten gewöhnlich ein/e aufblasbare/s Fahrzeuginsassenrückhaltung oder -element, wie etwa in der Form eines Kissens oder Sacks, im Allgemeinen als „Airbagkissen” bezeichnet. In der Praxis sind derartige Airbagkissen typischerweise zum Aufblasen oder Ausdehnen mit Gas ausgelegt, wenn das Fahrzeug ein plötzliche Verlangsamung erfährt, wie etwa im Falle eines Zusammenpralls. Derartige Airbagkissen können sich erwünschterweise in eine oder mehr Positionen innerhalb des Fahrzeugs zwischen dem Insassen und bestimmten Teilen des Fahrzeuginneren entfalten, wie etwa den Türen, dem Lenkrad, Armaturenbrett usw., um zu verhindern oder zu vermeiden, dass der Insasse gewaltsam gegen derartige Teile des Fahrzeuginneren stößt. Beispielsweise wurden typische oder übliche FahrzeugAirbagkisseneinrichtungsstellen im Lenkrad, im Armaturenbrett auf der Insassenseite des Fahrzeugs, entlang der Dachkontur eines Fahrzeugs, wie etwa über einer Fahrzeugtür, und im Fahrzeugsitz, wie etwa im Falle eines sitzmontierten Airbagkissens, beinhaltet. Andere Airbagkissen, wie etwa in der Form von Kniepolstern und Überkopfairbagkissen, fungieren außerdem zum Schutz verschiedener anderer oder bestimmter Körperteile vor dem Aufprallen.
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Neben einem oder mehr Airbagkissen enthalten aufblasbare, passive Rückhaltesysteme außerdem typischerweise einen Gasgenerator, üblicherweise auch als „Inflator” bezeichnet. Bei Betätigung dient eine derartige Inflatoreinrichtung erwünschterweise zum Bereitstellen eines Aufblasfluids, typischerweise in der Form eines Gases, das zum Aufblasen eines zugehörigen Airbagkissens genutzt wird. Es wurden in der Technik verschiedene Arten oder Formen von Inflatoreinrichtungen zum Gebrauch beim Aufblasen eines aufblasbaren Airbagkissens eines Rückhaltesystems offenbart.
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Eine speziell übliche Art oder Form von Inflatoreinrichtung, die bei aufblasbaren passiven Rückhaltesystemen genutzt wird, wird gewöhnlich als Druckgasinflator bezeichnet. Bei derartigen Inflatoreinrichtungen stammt das Gas, das zum Aufblasen eines zugehörigen aufblasbaren Elements benutzt wird, von gespeichertem Druckgas.
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Eine derartige herkömmliche Inflatoreinrichtung 20 ist in 1 gezeigt. Die Inflatoreinrichtung 20 enthält eine geschlossene Druckgefäßgasspeicherkammer 22, die zumindest abschnittsweise durch eine gestreckte, im Allgemeinen zylinderförmige Hülse 23 mit einem Basisendabschnitt 24 und einem gegenüberliegenden Diffusorabschnitt 26 gebildet ist. Ein Initiator 30 ist am Basisendabschnitt 24 angeordnet, und eine erste Berstscheibe 32 deckt normalerweise eine Basisendöffnung 34 der Gasspeicherkammer 22 ab, um eine Fluidverbindung zwischen dem Initiator 30 und der Gasspeicherkammer 22 zu verhindern. Ein Diffusor 40 ist am gegenüberliegenden Diffusorendabschnitt 26 angeordnet, und eine zweite oder Auslassendenberstscheibe 42 deckt normalerweise einen Diffusorendabschnitt 44 der Gasspeicherkammer 22 ab, um Fluidverbindung zwischen der Gasspeicherkammer 22 und dem Diffusor 40 zu verhindern. Bei Betätigung oder Auslösung des Initiators 30 erzeugt der Initiator 30 einen Ausstoß, der die erste Berstscheibe 32 zerbricht und einen Vorrat von Druckgas oder druckbeaufschlagtem Gas erhitzt, welcher innerhalb der Gasspeicherkammer 22 gespeichert ist. Beim Erhitzen des druckbeaufschlagten Gases kann der Innendruck innerhalb der Gasspeicherkammer 22 auf einen Inndruckpegel erhöht werden, der ausreicht, die zweite Berstscheibe 42 zu zerbrechen oder anderweitig zu öffnen. Alternativ oder zusätzlich kann eine Druckwelle durch den arbeitenden Initiator 30 und das Zerbrechen der ersten Berstscheibe 32 erzeugt werden, um die zweite Berstscheibe 42 zu zerbrechen oder anderweitig zu öffnen. Auf das Öffnen der zweiten Berstscheibe 42 ist Fluidverbindung zwischen der Gasspeicherkammer 22 und dem Diffusor 40 vorgesehen oder verwirklicht. Das erhitzte Gas tritt dann durch den Diffusor 40 aus der Gasspeicherkammer 22 aus, um das Entfalten eines zugehörigen aufblasbaren Airbagkissens (nicht gezeigt) einzuleiten.
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Bei derartigen herkömmlichen Inflatoreinrichtungen steigen die Temperatur und der Druck innerhalb der Gasspeicherkammer während der Initiationsphase typischerweise erheblich an, um einen Innendruck zu erzeugen, der zum Zerbrechen der Auslassendenberstscheibe und zum Ermöglichen von Gasströmung aus der Speicherkammer durch den Diffusor und nach außen zum zugehörigen aufblasbaren Airbagkissen ausreicht. Daher sind derartige Inflatoreinrichtungen gewöhnlich derart ausgelegt und gebaut, dass sie eine Seitenwand mit erheblicher Stärke aufweisen, um der Innendruckzunahme standzuhalten, welche bei Betätigung der Inflatoreinrichtung verwirklicht wird. Leider kann ein Erhöhen der Stärke der Seitenwand zu Inflatoreinrichtungen führen, die schwerer und größer als erwünscht sind.
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Zudem ist bei angemessen langen derartigen Druckgefäßgehäusen mit einer zylindrischen Form (wenn beispielsweise die Länge größer als der Durchmesser ist) die Belastung in der Umfangsrichtung das Zweifache der Belastung in der axialen Richtung.
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Typischerweise weisen Druckgasinflatoren ein Druckgasgefäßgehäuse auf, das derart ausgelegt ist, dass es imstande ist, Drücken im Bereich des 1,5- bis 2-Fachen der Innendrücke standzuhalten, die bei Betätigung des Druckgasinflators erzeugt werden, wobei derartige Innendrücke üblicherweise mindestens 40 MPa bis 140 MPa, oder enger gefasst mindestens 55 MPa bis 120 MPa, oder noch enger gefasst mindestens 65 MPa bis 110 MPa betragen. In der Praxis sind derartige Druckgefäße in der Form gestreckt zylindrisch und aus Stahl mit ausreichender Festigkeit, d. h. Stärke, hergestellt, um dem Druck innerhalb des Gefäßes sowohl während des normalen Ruhezustands oder Zustands vor der Betätigung als auch beim Betätigen und Arbeiten der Einrichtung standzuhalten. Wie unten detailliert ausgeführt, beinhaltet eine gewünschte Systemgestaltung und ein gewünschter Systembetrieb typischerweise das Hinzufügen oder Eingliedern eines geeigneten Sicherheitsfaktors, der mit den erwarteten tatsächlichen Drücken verbunden ist.
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Die Automobilindustrie sucht weiter nach aufblasbaren Rückhaltesystemen, die kleiner, leichter und kostengünstiger in der Herstellung sind. Da sich industrielle Auflagen hinsichtlich Faktoren wie etwa dem Gewicht und der Größe von Fahrzeugbauteilen weiterhin fortentwickeln, sind entsprechende Veränderungen an zugehörigen aufblasbaren Rückhaltesystemen erwünscht und erforderlich, um derartige Auflagen besser zu erfüllen.
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Kurzdarstellung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung stellt verbesserte Druckgasinflatoreinrichtungen sowie Verfahren des Herstellens oder zum Herstellen derartiger Druckgasinflatoreinrichtungen bereit.
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Gemäß einem Aspekt wird eine Inflatoreinrichtung bereitgestellt, die ein Stahlelement enthält, welches zumindest abschnittsweise ein Druckgefäß bildet. Eine äußere Verbundhülle liegt über wenigstens einem Teilbereich des Stahlelements. Erwünschterweise ist oder enthält die Verbundhülle eine Zusammensetzung aus Fasern und einem Harz-Matrix-System.
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Gemäß einer Ausführungsform bildet das Stahlelement eine Innenlage, welche, wie untenstehend eingehender beschrieben, außerstande ist, dem Druck, welcher innerhalb des Druckgefäßes bei Betätigung der Inflatoreinrichtung erzeugt wird, ohne die durch die Verbundhülle zur Verfügung gestellte Unterstützung standzuhalten.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform wird eine Inflatoreinrichtung bereitgestellt, die eine Stahllage enthält, welche wenigstens abschnittsweise ein Druckgefäß bildet. Die Inflatoreinrichtung enthält außerdem eine äußere Verbundhülle, welche über wenigstens über einem Teilbereich des Stahlelements liegt. Die Verbundhülle ist oder enthält eine Zusammensetzung aus Fasern und einem Harz-Matrix-System. Die Stahllage ist außerstande, dem Druck, welcher innerhalb des Druckgefäßes bei Betätigung der Inflatoreinrichtung erzeugt wird, ohne die durch die Verbundhülle zur Verfügung gestellte Unterstützung standzuhalten. Bei Gebrauchsdrücken teilen sich die Verbundhülle und die Stahllage die Belastung, wobei die Verbundhülle bei steigenden Gebrauchsdrücken einen proportional größeren Anteil des Gesamtbelastung übernimmt.
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In einem anderen Aspekt wird ein Verfahren zum Herstellen einer Inflatoreinrichtung bereitgestellt. In einer Ausführungsform beinhaltet das Verfahren das Bereitstellen einer stählernen Innenlage, welche wenigstens abschnittsweise ein Druckgefäß bildet. Die stählerne Innenlage wird mit einer Zusammensetzung aus Fasern und einem Harz-Matrix-System umwickelt. Die verbundummantelte stählerne Innenlage wird behandelt, um eine Inflatoreinrichtung zu bilden, welche Druck, der innerhalb des Druckgefäßes bei Betätigung der Inflatoreinrichtung erzeugt wird, standhält, und wobei die stählerne Innenlage außerstande ist, dem Druck, der innerhalb des Druckgefäßes bei Betätigung der Inflatoreinrichtung erzeugt wird, ohne die durch die Verbundhülle zur Verfügung gestellte Unterstützung standzuhalten.
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Wie hierin gebraucht, sind Verweise auf das Vermögen oder die Fähigkeit eines Objekts oder Elements, wie etwa eines Inflators, einer Lage oder einer Umhüllung, einem spezifizierten oder bezeichneten Druck „standzuhalten”, als einen geeigneten Sicherheitsfaktor umfassend zu verstehen. In der Praxis ist ein typisch geeigneter angemessener Sicherheitsfaktor das 1,5-Fache der maximal zu erwartende Betriebsdruck (Maximum Expected Operating Pressure, „MEOP”).
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Andere Aufgaben und Vorteile gehen für den Fachmann aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Ansprüchen und Zeichnungen hervor.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist eine vereinfachte, schematische Seitenschnittansicht einer Inflatoreinrichtung des Stands der Technik;
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2 ist eine vereinfachte Seitenansicht einer Inflatoreinrichtung gemäß einem Aspekt der Erfindung;
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3 ist eine vereinfachte Seitenansicht einer Inflatoreinrichtung gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung;
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4 bis 6 sind grafische Schaubilder von Spannung gegenüber Dehnung, Ringzugspannungsanteil gegenüber Innendruck bzw. Innendruck gegenüber Tangentialdehnung, um die Belastungsteilung einer Inflatoreinrichtung gemäß einem Aspekt der Erfindung zu zeigen;
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7 ist ein grafisches Schaubild von Berstdruck gegenüber Masse für das Druckgefäß, das in den Beispielen beschrieben ist.
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Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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Wie untenstehend detaillierter beschrieben, stellt die vorliegende Erfindung verbesserte Druckgasinflatoreinrichtungen sowie Verfahren des Herstellens oder zum Herstellen derartiger Druckgasinflatoreinrichtungen bereit.
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2 stellt eine Inflatoreinrichtung gemäß einem Aspekt der Erfindung dar, die allgemein mit dem Bezugszeichen 120 bezeichnet ist. Die Inflatoreinrichtung 120 ähnelt der oben beschriebenen Inflatoreinrichtung 20 dahingehend etwas, dass sie eine Druckgefäßgasspeicherkammer 122 enthält, die zumindest abschnittsweise durch eine gestreckte, im Allgemeinen zylinderförmige Hülse 123 mit einem Basisendabschnitt 124 und einem gegenüberliegenden Diffusorabschnitt 126 gebildet ist. Ein Initiator 130 ist am Basisendabschnitt 124 angeordnet oder positioniert und ein Diffusor 140 ist am gegenüberliegenden Diffusorendabschnitt 126 angeordnet oder positioniert.
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Wie ersichtlich, kann die Inflatoreinrichtung 120 Berstscheiben (hier nicht gezeigt) oder andere Einrichtungen, wie sie auf dem Fachgebiet bekannt sind, beinhalten oder enthalten, um Fluidverbindung zwischen der Gasspeicherkammer 122 und dem Initiator 130 bzw. Diffusor 140 zu verhindern, wenn die Inflatoreinrichtung in einem/er Ruhezustand oder -stellung oder Zustand/Stellung vor der Betätigung ist, und die bei Betätigung der Inflatoreinrichtung brechen können oder derartige Fluidverbindung anderweitig ermöglichen können.
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Die Inflatoreinrichtung 120 weicht von der Inflatoreinrichtung 20 dahingehend ab, dass die gestreckte, im Allgemeinen zylindrische Hülse 123 der erforderlichen Festigkeit wegen statt vollständig aus Stahl hergestellt zu sein, aus einer inneren Stahllage 150 und einer äußeren Verbundhülle 154 gebildet ist, welche über wenigstens einem Teilbereich der inneren Stahllage 150 liegt.
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Wie untenstehend detaillierter beschrieben, kann die innere Stahllage 150 erwünschterweise zum Beispiel aus einem Stahlmaterial, wie etwa wärmebehandelbarem Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt, gefertigt oder hergestellt sein, wobei das Stahl im Vergleich zu herkömmlichen Druckgasdruckgefäßgehäusen verhältnismäßig dünn ist. Da Inflatoreinrichtungen und besonders die Druckgefäßabschnitte derartiger Inflatoreinrichtungen gemäß bestimmten Aspekten der Erfindung erwünschterweise zur einmaligen Anwendung gefertigt sein können, kann die Stärke der inneren Stahllage einer Inflatoreinrichtung, wie sie hierin beschrieben ist, erwünschterweise auf zwischen 75% und 40% jener eines vollständig stählernen Druckgasinflatordruckgefäßgehäuses verringert sein. Beispielsweise kann, während derzeitige, vollständig stählerne Druckgasinflatordruckgefäßgehäuse Wandstärken aufweisen, die typischerweise in einem Bereich zwischen 2,5 mm und 1,8 mm liegen, eine Verbundinflatoreinrichtung, wie sie hierin beschrieben ist, günstigerweise eine Stahlwandstärke aufweisen, die auf einen Bereich von 0,9 mm bis 1,4 mm verringert ist.
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Die innere Stahllage 150 kann der Inflatoreinrichtung 120 erwünschterweise die erforderliche Gasdichtigkeit verleihen.
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Eine hochdruckfähige Einwegstruktur kann erwünschterweise durch Ummanteln der stählernen Innenlage 150 mit einem ausgewählten Material geschaffen oder gebildet sein, sodass sie die Form eines Verbunds aufweist.
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Die Ummantelungsweiterverarbeitung gemäß einem Aspekt der Erfindung beinhaltet im Allgemeinen das Wickeln eines Verbundmaterials, das etwa aus Fasern mit hoher Festigkeit und einem Harz-Matrix-System zusammengesetzt ist, um und/oder über die Innenlage 150 zum Bilden einer Ummantelungsstärke um die Innenlage. Es wird angemerkt, dass die Inflatoreinrichtung 120 einen oder mehr Endabschnitte, beispielsweise den Basisendabschnitt 124 und den Diffusorendabschnitt 126, aufweist, die einen geringeren Querschnitt haben. Das Wickeln des Verbundmaterials, wie es hier beschrieben ist, erleichtert und ermöglicht das Aufbringen derartiger Verbundmaterialien auf derartige tiefgezogene Endabschnitte.
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Die mit Verbundmaterial ummantelte Lage kann anschließend behandelt oder vernetzt werden, um eine Inflatoreinrichtung zu bilden, die dem Druck standhält, der innerhalb der Gasspeicherkammer erzeugt wird, wie etwa bei der Betätigung der Inflatoreinrichtung etwa während der Auslösephase. Insbesondere kann eine derartige Inflatoreinrichtung mit einer derartigen, mit Verbundmaterial ummantelten Lage erwünschterweise dem Druck standhalten, der innerhalb der Gasspeicherkammer erzeugt wird, wie etwa bei Betätigung der Inflatoreinrichtung etwa während der Auslösephase, wobei die stählerne Innenlage außerstande ist, derartigen erzeugten Drücken ohne die durch die Verbundummantelung zur Verfügung gestellte Unterstützung standzuhalten.
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Verschiedene Fasermaterialien, wie sie in der Technik bekannt sind, sind nutzbar. Zur verbesserten Wirtschaftlichkeit ist in bestimmten Ausführungsformen die Verwendung verhältnismäßig kostengünstiger Fasermaterialien bevorzugt, wie etwa Glasfaser- oder Basaltfasermaterialien. Insbesondere Inflatoreinrichtungen, wie sie hierin beschrieben sind, lassen die Verwendung verhältnismäßig kostengünstiger Fasermaterialien, wie etwa Glas oder Basalt, in Verbindung mit aus Stahl hergestellten Lagen zu, da der Elastizitäts- oder E-Modul der Faser und des Stahls nicht denselben Wert aufweisen müssen (d. h., der E-Modul des Stahls ist niedriger als jener für Glas). Wie untenstehend detaillierter beschrieben, können sich bei einer Inflatoreinrichtung, wie sie hierin beschrieben ist, gemäß bestimmten Aspekten der Erfindung, wenn sich die stählerne Innenlage dehnt, die Glasfasern erwünschterweise mit derselben Dehnungsrate dehnen, und wegen der Dehnung des Stahls der Lage vor dem Bruch übernimmt die Verbundummantelung einen größeren Anteil der Belastung.
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Insbesondere kann die Stahllage erwünschterweise derart ausgelegt sein, dass die Lage für normale Speicherdrücke Druckbelastungen im elastischen Materialbereich sicher halten oder tragen kann. Bei höheren Drücken, die zum Nachweisen eines erwünschten Sicherheitsfaktor benötigt sein könnten, ist es der stählernen Innenlage ermöglicht nachzugeben, sich beispielsweise „ballonartig” auszudehnen, sodass das Verbundummantelungsmaterial sein Belastungstragepotential zumindest teilweise und in einigen Ausführungsformen vollständig entwickelt. Wenn die Gesamtbelastung erhöht wird, wie etwa bei Betätigung und Auslösung der Inflatoreinrichtung, wird die Belastung des Materials mit niedrigerem Modul (beispielsweise Glasverbundmaterial) aufgrund des Ausgleichens der Belastungstragefähigkeit der Stahllage beim Nachgeben erhöht.
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Verarbeitungszeiten können durch Nutzen eines UV-Vernetzungsharzsystems anstelle von üblichen duroplastischen Vernetzungsharzsystemen, die bei erhöhten Temperaturen vernetzen, verringert oder auf ein Mindestmaß herabgesetzt werden. Beispielsweise beinhaltet ein typischer Temperatur-Vernetzungszyklus ein Temperatur Erhitzen auf 120°C für 90 Minuten, während ein UV-Vernetzungssystem Vernetzung in unter 15 Sekunden durchführen kann, wenn eine UV-durchlässige Faser, wie etwa E-Glas, verwendet wird.
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UV-Vernetzung weist den zusätzlichen Sicherheitsvorteil auf, dass vermieden wird, dass die Einrichtung auf hohen Temperaturen vernetzt wird, was zum Belasten oder anderweitigem Verschlechtern von Berstscheiben oder ähnlichen Einrichtungen oder Elementen dienen oder wirken kann, die innerhalb der Inflatoreinrichtungen enthalten sind, sowie, dass die Wahrscheinlichkeit der Zersetzung von pyrotechnischen oder anderen Reaktantmaterialien, die innerhalb der Einrichtung enthalten sind, verringert wird. Zudem kann derartige Vernetzungsverarbeitung vorteilhaft die Produkthandhabung während des Herstellungsprozesses erleichtern.
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Obgleich bestimmte Aspekte der Erfindung obenstehend unter besonderer Bezugnahme auf UV-Vernetzung und die Verwendung von UV-vernetzbaren Harzen beschrieben wurden, ist es für den Fachmann und angeleitet von den hierin vorgestellten Lehren ersichtlich, dass die allgemeinere Umsetzung der Erfindung in die Praxis nicht notwendigerweise derart beschränkt ist. Beispielsweise können andere Harzarten und andere zugehörige Behandlungs- oder Vernetzungstechniken, darunter andere Formen strahlungsvernetzbarer Harze und Strahlungsvernetzung, nach Wunsch für bestimmte Anwendungen genutzt werden.
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Spezifische andere Arten von Harzen und Behandlungstechniken, die bei der praktischen Umsetzung der Erfindung nutzbar sind, können folgende beinhalten: Duroplastische Harze, die hitzevernetzbar sind, und thermoplastische Harze, die durch lokales Schmelzen vernetzbar oder behandelbar sind. Ein spezifisches Beispiel einer derartigen anderen Art Harz ist ein thermoplastisches Harz, das erwünschterweise in Verbindung mit im Wesentlichen unidirektionalen Fasern, z. B. E-Glasfasern, verwendet sein kann, um eine Bahn von vorbeschichteten, im Wesentlichen unidirektionalen Fasern zu bilden. Eine derartige Bahn kann etwa durch Erhitzen einer Seite des Materials behandelt werden, wenn sie auf ein darunter liegendes Stahlelement gewickelt wird, wie etwa in der Form einer Röhre oder einer röhrenförmigen Inflatorstruktur. Geeignete Erhitzungsverfahren für ein derartiges Material können abhängig von bestimmten Anwendungen offene Flamme (Brenner), IR-Lampe, Heißluftpistole oder dergleichen beinhalten.
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Durch die Eingliederung und Benutzung derartiger Verbundmaterialien kann die Masse einer Druckgasinflatoreinrichtung durch Verringern der Menge, Masse und/oder Stärke von Metall, z. B. Stahl, das beim Bilden des Druckgefäßes oder der Kammer benutzt wird, erwünschterweise reduziert werden.
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Obgleich die Erfindung obenstehend unter Bezugnahme auf Ausführungsformen beschrieben wurde, in denen Ummantelungsverarbeitung im Allgemeinen Wickeln eines Verbundmaterials, das aus hochfesten Fasern und einem Harz-Matrix-System gebildet ist, um und/oder über eine Stahllage beinhaltet, welche zumindest abschnittsweise ein Druckgefäß bildet, ist die allgemeinere Umsetzung der Erfindung in die Praxis nicht notwendigerweise derart beschränkt.
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Beispielsweise kann das Verbundmaterial auf Wunsch um und/oder über einen Dorn gewickelt werden, um ein Rohr aus Verbundummantelung zu bilden, das auf ein Stahlelement aufgebracht werden kann, das zumindest abschnittsweise ein Druckgefäß bildet. Ein derartiges verbundummanteltes Rohr kann beispielsweise etwa durch Schieben und/oder Drücken des Verbundummantelungsrohrs auf eine darunter liegende Stahllage aufgebracht werden.
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Alternativ kann zur verbesserten oder erleichterten Herstellung Verbundmaterial um und/oder über Stahlrohre mit größeren Längen, wie etwa Längen von 5 bis 15 Metern, gewickelt und anschließend verarbeitet, z. B. geschnitten oder anderweitig verarbeitet, werden, um verbundummantelte Stahlrohre in einer Länge oder Längen zu bilden, die zur Anwendung in einer Inflatorbaugruppe erforderlich sind. Eine derartige Länge von verbundummanteltem Stahlrohr kann anschließend zum Bilden einer Inflatorbaugruppe mit einer Basis und einem Diffusor zusammengefügt werden.
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3 zeigt eine Inflatoreinrichtung, die im Allgemeinen durch das Bezugszeichen 320 bezeichnet ist. Die Inflatoreinrichtung 320 ähnelt der oben beschriebenen Inflatoreinrichtung 120 dahingehend etwas, dass sie eine Druckgefäßgasspeicherkammer 322 enthält, die zumindest abschnittsweise durch eine gestreckte, im Allgemeinen zylinderförmige Hülse 323 mit einem Basisendabschnitt 324 und einem gegenüberliegenden Diffusorabschnitt 326 gebildet ist. Ein Initiator 330 ist am Basisendabschnitt 324 angeordnet oder positioniert, und ein Diffusor 340 ist am gegenüberliegenden Diffusorendabschnitt 326 angeordnet oder positioniert.
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Wie ersichtlich, kann die Inflatoreinrichtung 320 Berstscheiben (hier nicht gezeigt) oder andere Einrichtungen, wie sie auf dem Fachgebiet bekannt sind, beinhalten oder enthalten, um Fluidverbindung zwischen der Gasspeicherkammer 322 und dem Initiator 330 bzw. Diffusor 340 zu verhindern, wenn die Inflatoreinrichtung in einem/er Ruhezustand oder -lage oder Zustand/Lage vor der Betätigung ist, und die bei Betätigung der Inflatoreinrichtung brechen können oder derartige Fluidverbindung anderweitig ermöglichen können.
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Die Inflatoreinrichtung 320 weicht von der Inflatoreinrichtung 120 dahingehend ab, dass statt Wicklung eines Verbunds auf die Struktur ein äußeres verbundummanteltes Rohr 354 auf die innere Stahllage 350 aufgebracht wurde, um über wenigstens einem Teilbereich der inneren Stahllage 350 zu liegen, wie etwa auf eine Art und Weise wie obenstehend beschrieben.
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Obgleich die Erfindung obenstehend unter Bezugnahme auf Ausführungsformen beschrieben wurde, in denen eine Lage, die aus Stahl hergestellt ist, ein röhrenförmiges Element mit einer größeren Länge ist und die äußere Verbundhülle über mindestens einem wesentlichen Teilbereich der größeren Länge der Rohrelementstahleinlage liegt, ist es für den Fachmann und angeleitet von den hierin vorgestellten Lehren ersichtlich, dass die allgemeinere Umsetzung der Erfindung in die Praxis nicht notwendigerweise derart beschränkt ist.
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Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung werden Verfahren zum Herstellen von Inflatoreinrichtungen bereitgestellt. Ein derartiges Verfahren beinhaltet das Herstellen oder anderweitige Bereitstellen eines Druckgefäßes, das zumindest abschnittsweise durch eine stählerne Innenlage gebildet ist. Die stählerne Innenlage kann dann zweckmäßig mit einem Verbund von Fasern und einem Harz-Matrix-System ummantelt werden, wie obenstehend beschrieben. Die verbundummantelte innere Stahllage kann dann zum Bilden einer Inflatoreinrichtung behandelt werden, die dem Druck, welcher innerhalb des Druckgefäßes beim Betätigen der Inflatoreinrichtung erzeugt wird, standhält, und wobei die stählerne Innenlage außerstande ist, dem Druck, welcher innerhalb des Druckgefäßes bei Betätigung der Inflatoreinrichtung erzeugt wird, ohne die durch die Verbundhülle zur Verfügung gestellte Unterstützung standzuhalten.
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Wie obenstehend beschrieben, ist eine bevorzugte Technik zum Durchführen derartiger Vernetzung gemäß einem Aspekt der Erfindung die Beimischung eines UV-Vernetzungswirkstoffs zum Verbundharzsystem und ein anschließendes UV-Vernetzen der verbundummantelten Stahllage.
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Obgleich die allgemeinere Umsetzung der Erfindung in die Praxis nicht notwendigerweise dadurch beschränkt ist, ob die Gasbefüllung des Druckgefäßes, das durch das Stahlelement gebildet ist, vor oder nach dem Aufbringen der äußeren Verbundhülle stattfindet, ist es für den Fachmann und angeleitet von den hierin vorgestellten Lehren ersichtlich, dass es für bestimmte Anwendungen erwünscht sein kann, das Druckgefäß vor dem Aufbringen der Verbundummantelung zu füllen, während es für bestimmte andere Anwendungen erwünscht sein kann, das Druckgefäß nach dem Aufbringen der Verbundummantelung zu füllen. Beispielsweise kann es, da die Aufbringung und Behandlung der äußeren Verbundhülle eine Erhitzung des darunter liegenden Stahlelements und, im Falle eines Druckgefäßes, jeglicher Inhalte, die darin enthalten sind, bewirken kann, erwünscht sein, die äußere Verbundhülle vor der Gasbefüllung des Druckgefäßes aufzubringen und zu behandeln. Demgegenüber kann die Reihenfolgebildung der Gasbefüllung vor der Aufbringung und Behandlung der äußeren Verbundhülle Herstellung und Produktion erleichtern, wie etwa aufgrund einer Erleichterung oder Vereinfachung der Leckprüfung des Druckgefäßes, da die Verbundummantelung beispielsweise ein Verbergen eines Ausleckens bewirken oder ausgelecktes Gas anderweitig speichern oder verbergen kann, wie etwa während einer Vakuumphase einer Leckprüfung, und zu virtuellen Lecks oder längeren Zeiträumen, die zum Durchführen der geeigneten Produktleckprüfungen erforderlich sind, führen kann.
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Die vorliegende Erfindung wird in Verbindung mit den folgenden Beispielen in weiterem Detail beschrieben, die verschiedene Aspekte darstellen oder simulieren, welche an der Umsetzung der Erfindung in die Praxis beteiligt sind. Es versteht sich, dass es erwünscht ist, dass alle Änderungen, die unter den Schutzumfang der Erfindung fallen, geschützt sind, und daher ist die Erfindung nicht als durch diese Beispiele eingeschränkt auszulegen.
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Beispiele
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Beispiel 1
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Das folgende hypothetische Beispiel stellt die Belastungsteilung für eine Inflatorstruktur aus einem inneren Stahlrohr und einer äußeren Verbundummantelung dar, wie sie hierin beschrieben ist. Die idealisierten Materialeigenschaften für diesen Fall sind in 4 gezeigt. In diesem Beispiel ist die Inflatorstruktur ein Stahlrohr mit einem Innendurchmesser von 31,5 mm und einer Wandstärke von 1 mm. Der E-Modul des Stahls ist 200 GPa. Die Verbundummantelung ist aus einer Umreifungsfaserummantelung mit einem E-Modul von 37 GPa und einer Stärke von 1,25 mm aufgebaut. Es ist gezeigt, dass der Stahl bei 900 MPa nachgibt. Es ist gezeigt, dass der Stahl nach dem Nachgeben nur eine sehr geringe Spannungszunahme trägt, wenn die Dehnung zunimmt. Die Verbundummantelung gibt bis zum Versagen nicht nach.
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In 5 ist die Belastungsteilung zwischen der Verbundummantelung und der Stahllage für dasselbe Beispiel gezeigt. Wie in 5 gezeigt, gibt der Stahl bei ungefähr 70 MPA Innendruck (innerhalb des Zylinders) nach. Die Dehngrenze entspricht der 900 MPa Spannung im Stahl, wie in 4 gezeigt. Nach dem Nachgeben kann der Stahl keine erhebliche zusätzliche Belastung tragen, und es ist gezeigt, dass die Stahllage einen abnehmenden Anteil der Belastung trägt, wenn die Gesamtbelastung (d. h. der Innendruck) weiter zunimmt. Wenn die Gesamtbelastung (d. h. der Innendruck) weiter zunimmt, trägt jedoch der Verbund proportional einen größeren Anteil der Belastungszunahme. Dies setzt sich fort, bis die Dehnungsfähigkeit des Stahls oder die äußerste Festigkeit des Verbunds überschritten wird, an welchem Punkt die Struktur versagt.
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6 liefert Zusatzinformation, die das Verhalten der Gesamtstruktur in diesem Beispiel betrifft. Bei ungefähr 70 MPA Innendruck im Rohr gibt der Stahl nach. Nach dem Nachgeben des Stahls nimmt die Belastung der Struktur mit einer schnelleren Rate für eine entsprechende Zunahme des Innendrucks als vor dem Nachgeben des Stahls zu, und die Verbundummantelung, die einen niedrigeren Modul aufweist, trägt mehr der Belastung. Dies setzt sich bis zum Versagen an dem Punkt fort, an dem die Gesamtbelastungstragfähigkeit der Struktur überschritten wird.
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Beispiel 2
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Unter Verwendung von röhrenförmigen Stahldruckgefäßen mit einem Außendurchmesser von 35 mm und einer Anfangswandstärke von 2,5 mm wurde eine Reihe von Tests durchgeführt, um die Machbarkeit der Gewichtsverringerung des Druckgefäßes durch Verringerung der Stahlwandstärke und Vorsehen einer Verbundummantelung aus Glasfaser (z. B. E-Glas) und Harzverstärkung zu beurteilen. Ausgewählte Druckgefäße wurden maschinell auf 1,0 mm und 1,25 mm verbleibende Wandstärke abgefräst. Die Druckgefäße wurden mit 4, 5 und 6 Schichten aus nass gewickeltem E-Glas ummantelt. An den fertiggestellten Druckgefäßen wurden Berstprüfungen durchgeführt.
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Ein faserummanteltes Druckgefäß mit 1,0 mm verbleibender Stahlwandstärke und ein faserummanteltes Druckgefäß mit 1,25 mm verbleibender Stahlwandstärke versagten axial am Ende des abgefrästen Teilabschnitts bei 1089 Bar bzw. 1239 Bar.
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Um eine Prüfung der Fähigkeit des glasummantelten röhrenförmigen Stahlelements besser zu ermöglichen, wurde anschließend eine axiale Stützstruktur vorgesehen, sodass die Druckgefäße während des Testens axial gestützt wurden, sodass Berstversagen der Druckgefäße im Verbundummantelungsbereich der Druckgefäße stattfand.
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7 stellt Berstdruck gegenüber Masse für die Druckgefäße graphisch dar, die in der Testreihe von Beispiel 2 getestet wurden.
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Die Prüfung zeigt das Potential, Berstwerte zu erzielen, die für Inflatorinnendrücke annehmbar oder äquivalent zu jenen sind, die mit Vollstahlstrukturen erzielt werden, jedoch mit erheblichen Massenverringerungen.
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Die Untersuchung der Ergebnisse ergibt, dass 35-mm-Berstanforderungen mit 33,5 mm Außendurchmesser × 1,0 mm starker Wand, hitzebehandeltem Rohrmaterial, ummantelt mit ungefähr 1,25 mm Glasfaserverstärkung erfüllt werden können.
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Anschließendes Prüfen beinhaltete Prüfung mit Produktionsteilen mit einer Stahlwandstärke von 1,1 mm, ummantelt mit einer Verbundummantelung mit einer Stärke von 1,5 mm. Die Berstwerte, die bei diesem anschließenden Prüfen erzielt wurden, haben die früheren Versuchsergebnisse bestätigt; beispielsweise waren die Berstwerte, die mit dieser Konfiguration verwirklicht wurden, größer als 1250 Bar, und der Inflator war immer noch leichter als eine herkömmliche Vollstahlstruktur.
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Die Erfindung, die hierin veranschaulichend offenbart ist, kann angemessen in Abwesenheit jeglichen Elements, Teils, Schritts, Bauteils oder Bestandteils in die Praxis umgesetzt werden, das/der hierin nicht spezifisch offenbart ist.
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Obgleich diese Erfindung in der vorstehenden detaillierten Beschreibung in Bezug auf bestimmte bevorzugte Ausführungsformen davon beschrieben wurde und zahlreiche Details zu Veranschaulichungszwecken angeführt wurden, ist es für den Fachmann offensichtlich, dass die Erfindung für zusätzliche Ausführungsformen empfänglich ist, und dass bestimmte der hierin beschriebenen Details erheblich verändert werden können, ohne von den Grundprinzipien der Erfindung abzuweichen.
