DE1805510A1

DE1805510A1 - Fahrzeugsicherheitsvorrichtung

Info

Publication number: DE1805510A1
Application number: DE19681805510
Authority: DE
Inventors: Goetz George Willard
Original assignee: Eaton Yale and Towne Inc
Current assignee: Eaton Corp
Priority date: 1967-11-08
Filing date: 1968-10-26
Publication date: 1969-06-26
Also published as: ES359967A1; US3516685A; SE345104B; FR1593131A; GB1201567A

Description

EATOI YALE & TOWUE INC., 100 Erieview Plaza, Cleveland,Ohio/USA

Fahrzeugsicherheitsvorrichtung

Die Erfindung betrifft eine Fahrzeugsicherheitsvorrichtung, insbesondere von der Art, bei welcher eine aufblasbare Hülle vorgesehen ist, die einen zusammengelegten Ruhezustand und einen aufgeblasenen bzw. Betriebszustand hat und die in ihrem aufgeblasenen Betriebszustand dazu dient, die Bewegung eines Fahrzeuginsassen während einer Kollision zu beschränken.

Es gibt bereits eine !Fahrzeugsicherheitsvorrichtung, die eine aufblasbare Hülle besitzt, die einen zusammengelegten Ruhezustand und einen aufgeblasenen Betriebszustand hat. Bei einer solchen Vorrichtung ist die Hülle so ausgebildet, daß sie den Fahrzeuginsassen während einer Kollision dadurch schützt, daß sie die Bewegung des Fahrzeuginsassen während der Kollision beschränkt. Die Hülle wird durch einen Gasstrom aus einem Behälter aufgeblasen. Obwohl eine solche Fahrzeugsicherheitsvor— richtung bekannt ist, ist bisher keine Bauform ausgeführt worden,

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bei der die Arbeitsweise ausreichend zuverlässig ist, um in ein Fahrzeug, "beispielsweise in einen Personenkraftwagen eingebaut zu werden, ausgenommen vielleicht versuchsweise.

Die Erfindung ist auf eine Fahrzeugsicherheitsvorrichtung gerichtet, die eine aufblasbare Hülle aufweist und entsprechend mathematischen Ansätzen gebaut ist, die abgeleitet worden sind und den Bau eines arbeitsfähigen, zuverlässigen Systems ermöglichen. Die Ansätze wurden nach ausgedehnter Versuchsarbeit und ausgedehnten Untersuchungen entwickelt und beruhen auf diesen₀

Aufgabe der Erfindung ist daher die Schaffung einer neuen und verbesserten Fahrzeugsicherheitsvorrichtung mit einer Hülle, die einen zusammengelegten Ruhezustand und einen aufgeblasenen Betriebszustand hat, in welchem die Hülle den Fahrzeuginsassen dadurch schützt, daß er dessen Bewegung während einer Fahrzeugkollision beschränkt, wobei die Vorrichtung so ausgebildet ist, daß sie von höchster Zuverlässigkeit und praktisch ist.

Ferner soll der Bau der Sicherheitsvorrichtung aufgrund mathematischer Ansätze erfolgen, die bestimmte Kenngrößen enthalten, die so festgelegt sind, daß eine zuverlässige, brauchbare Vorrichtung erhalten wird, durch welche ein Fahrzeuginsasse bei einer Kollision geschützt werden kann»

Auch soll hierbei die Hülle durch den Gasstrom aus einem Behälter, innerhalb einer Aufblaszeit von 0,010 bis 0,100 Sekunden nach der Kollision aufgeblasen werden, wobei 20 bis 95$ des im Behälter verfügbaren Gases dazu ausgenutzt wird, die Hülle innerhalb der Aufblaszeit zu füllen.

Desgleichen sollen Mittel vorgesehen werden, durch welche der Gasstrom aus einem Behälter herbeigeführt wird, um das Aufblasen der Hülle zu bewirken, wobei der Druck und das Volumen des Be-

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halters durch eine mathematische Gleichung "bestimmt werden, bei welcher der Druck und das Volumen des Behälters, als eine Punktion des in der Hülle gewünschten Druckes und Volumens ausgedrückt ist, und wobei das Gas durch eine Öffnung oder eine Düse strömt, die eine Kontraktionszahl und einen Einschnürungsquerschnitt hat, der eine Punktion der Hüllenaufblaszeit und des Volumens des Behälters ist·

Ferner soll das Produkt des Druckes und des Volumens im Behälter innerhalb eines Bereiches von (5 "bis 1,05) ( P-g Vg) liegen, wobei K das Verhältnis der spezifischen Wärmekapazitäten des Gases ist, und die Gasströmung durch eine Düse mit eines? Kontraktionszahl G und einem Einschnürungsquerschnitt A innerhalb des Bereiches erfolgen, der durch die Gleichung CAU^VV_n, = 0,28 bis

- " . ■ O Ά

4,41 bestimmt wird, wobei U die Schallgeschwindigkeit der Gasströmung im Behälter ist, t die Aufblaszeit der Hülle ist, die innerhalb des Bereiches von 0,010 bis 0,100 Sekunden fällt, und V_n das Volumen des Gasbehälters ist.

Weitere Ziele und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden näheren Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform derselben in Verbindun-g mit den beiliegenden Zeichnungen, und zwar zeigen:

Pig. 1 bis 5 schematische Ansichten, in welchen die Stellung des Fahrzeuginsassen und der Zustand der Hülle im Fahrzeug zu verschiedenen Zeitpunkten während einer Kollision dargestellt sind;

Pig. 6 eine schematische Darstellung der in Pig. 1 gezeigten Fahrzeugsicherheitsvorrichtung, lediglich für die Zwecke der Beschreibung, und

Fig. 7 eine graphische Darstellung zur Erläuterung der verschiedenen baulichen Verhältnisse der Fahrzeugsicherheitsvorrichtung.

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Durch, die Erfindung wird eine brauchbare und zuverlässige- Fähr-Zeugsicherheitsvorrichtung geschaffen, die bei Fahrzeugen An- ' Wendung finden kann, um die Bewegung eines Fahrzeuginsassen während einer Kollision zu beschränken» Die Fahrzeugsicherheits-' vorrichtung ist entsprechend mathematischen Ansätzen aufgebaut, um eine Sicherheitsvorrichtung zu erhalten, die im Betrieb zu^' verlässig iste Die erfindungsgemäße FahrzeugsicheTheitsvörrich-' tung kann auf verschiedene Arten von Fahrzeugen* wie· Flugzeuge,·■■" Lastkraftwagen oder Personenkraftwagen; angewendet werden. ^! -

Fig. 1 zeigt eine Fahrzeugsicherheitsvorrichtung ΊΟ in' ein Kraftfährzeug 11 eingebaut. Die Fahrzeugsicherheitsvorrichtung· 10 ' ist so gebaut, daß ein Schutz für den Fahrzeuginsassen 12 während einer Kollision erhalten wird. Die Fahrzeugsicherheitsvorrientung 10 besitzt eine Hülle 15, die einen zusammengelegten Ruhezustand und einen aufgeblasenen Betriebszustand hat, welch letzterer in Fig. 2 mit vollausgezogenen Linien dargestellt und mit A bezeichnet ist. Die" Hüihle 15 schützt, wenn sie sich in ihrem aufgeblasenen Betriebszustand befindet, den-Fahrzeuginsassen 12 gegen einen kräftigen Aufschlag auf Bauteile des Fahrzeuges,in dem sie die Bewegung des Fahrzeuginsassen- mit Bezug auf das Fahrzeug während einer Fahrzeugkollision beschränkt.

Die Hülle 15 kann an einer beliebigen, besonderen Stelle des Fahrzeugs so untergebracht werden, daß der gewünschte -Schutz für den Insassen erhalten wird, wenn die Hülle in ihren Betriebszustand aufgeblasen wird. Die Hülle kann, wie in der Zeichnung dargestellt, am Instrumentenbrett des Fahrzeugs vorgesehen werden, jedoch kann sie auch in die Rückenlehne des Vordersitzes, in die Türfüllungen, in das Lenkrad und an anderen Stellen des Fahrzeugs eingebaut werden, um den gewünschten Schutz für einen Fahrzeuginsassen herbeizuführen, ■

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Die Hülle 15 wird in ihren aufgeblasenen Betriebszustand durch einströmendes Gas aufgeblasen; Die Fahrzeugsicherheitsvorrichtung 10 besitzt.daher einen Strömungsmittelbehälter 20, der einen G-asvorrat unter hohem Druck enthält. Das Gas ist vorzugsweise Stickstoff, der auf einem Druck von etwa 1,41 bis 2,81 kg/mm (etwa 2000 bis 4-000 Psi) gehalten wird. Der Druckmittelbehälter 20 ist, wie sich am besten aus Fig. 6 ergibt, ein geschlossener länglicher und rohrförmiger Behälter. In Verbindung mit dem Behälter 20 sind Mittel vorgesehen, welche die Bildung einer Öffnung im Behälter 20 bewirken, um eine Gasströmung aus dem Behälter in die Hülle 15 herbeizuführen, wenn das Fahrzeug in einen !Collisionszustand kommt. Die Mittel, durch welche eine Öffnung im Behälter 20 gebildet werden kann, bestehen vorzugsweise aus einer durch eine Explosion betätigbaren Vorrichtung, die in Fig. 6 bei 21 mit strichpunktierten Linien angedeutet ist. Die durch einen Explosivstoff betätigbare Vorrichtung kann dem Behälter 20 in verschiedener Weise zugeordnet werden, um das Entstehen einer Öffnung im Behälter herbeizuführen, und es wird auf die USA-Patentanmeldung 664 882 verwiesen, in welcher dargestellt und beschrieben ist, wie ein explosivstoff in Verbindung mit dem Druckmittelbehälter 20 verwendet werden kann, um das Herstellen einer Öffnung im Behälter 20 zu bewirken, wenn das Fahrzeug in einen Kollisionszustand kommt. Der Explosivstoff kann durch das Fließen eines elektrischen Stroms betätigt bzw. zur Detonation gebracht werden, wie in der vorgenannten Patentanmeldung beschrieben, wobei der Strom durch die Betätigung eines geeigneten Fühlers erzeugt wird, der bei einer Kollision des Fahrzeuges in Tätigkeit tritt»

Wie in Fig. 6 gezeigt, strömt das Gas im Behälter 20 durch eine Öffnung 23, die durch den Explosivstoff 21 gebildet worden is't. Die in Fig. 6 dargestellte Öffnung 23 des Behälters 20 steht mit einer Kammer 25 in Verbindung, welche durch die Außenfläche 20a des Behälters 20 und durch die Innenfläche 27a eines Diffu-

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sorteils 27 begrenzt wird, welch letzterer den Behälter 20 umgibt und mit diesem verbunden ist. Der Diffusorteil 27 ist mit einer Anzahl von Schlitzen 29 auf derjenigen Seite versehen, die der' Seite entgegengesetzt ist, an welcher der Explosivstoff 21 vorgesehen ist. Die durch den Explosivstoff 21 bei der vorliegenden Ausführungsform erhaltene Öffnung 23 bildet eine Düse, durch welche Gas aus dem Behälter strömt. Die Düse 23 ist der Mindestströmungsquerschnitt für das aus dem Behälter 20 ausströmende Gas und natürlich hat die Düse 23 nicht nur -einen Mindest-Strömungsquerschnitt oder Einschnürungsquerschnitt, sondern auch eine Kontraktionszahl. Der Mindestströmungsquerschnitt, durch den die Gasströmung auf ihrem Weg aus dem Behälter 2C hindurchtritt, kann auch auf andere Weise als durch die durch den Explosivstoff 21 hergestellte Öffnung 23 gebildet werden und kann eine konstruierte Düse sein, die im Behälter 20 oder unmittelbar außerhalb desselben ausgebildet ist«, Der Einschnürungsquerschnitt und die Kontraktionsziffer der Düse 23, d.h. der Mindestströmungsquerschnitt für das Gas, unabhängig davon, ob die Düse durch die Öffnung 23 in der bevorzugten Ausführungsform gebildet wird oder als Teil des Behälters oder in anderer Weise ausgebildet ist, sind für den Bau eines arbeitsfähigen Sicherheitssystems wicntig, welches das Aufblasen der Hülle 15 innerhalb des vorgeschriebenen Zeitraums bewirkt.

Der Explosivstoff 21 wird zu einem Zeitpunkt, der als Zeitpunkt Null bezeichnet werden kann, oder im Augenblick des Aufschlags der Kollision gezündet. Im Augenblick der Zündung des Explosivstoffes 21 befinden sich der Insasse 12 und die Sicherheitsvorrichtung 10 in dem in Fig. 1 dargestellten Zustand. Da das Gas im Behälter 20 vorzugsweise Stickstoff ist, geschieht die Strömung durch die Öffnung oder Düse 23 mit Schallgeschwindigkeit-, Das Gas strömt dann durch die Öffnung 23 und in die Kammer 25, sodann durch die Schlitze 29 in den Diffusorteil 27 und in die Hülle 15. Diese Strömung erfolgt mit einer außerordentlich hohen

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Geschwindigkeit, um das Aufblasen der Hülle 15 in den in Pig_e2 gezeigten Zustand innerhalb eines Zeitraums zwischen 0,010 und 0,100 Sekunden nach dem*Augenblick des Aufschlags zu bewirken. Die Hülle 15 nimmt daher die in Figo 2 gezeigte Stellung, welche dem aufgeblasenen Zustand der Hülle 15 entspricht, innerhalb des angegebenen besonderen Zeitraums ein.

Dieses Aufblasen der Hülle 15 geschieht ausreichend rasch, so daß die Hülle.aufgeblasen wird, bevor eine wesentliche Bewegung des Fahrzeuginsassen 12 mit Bezug auf das Fahrzeug als Folge der Kollision stattgefunden hat. Wie sich aus Fig. 2 ergibt, ist die Hülle vor irgendeiner Bewegung des Fahrzeuginsassen 12 aufgeblasen worden. Hierbei ist zu erwähnen, daß sich der Fahrzeuginsasse praktisch etwas bewegt haben kann, jedoch dürfte der Betrag dieser Bewegung des Insassen minimal sein und sicherlich nicht ausreichend innerhalb des erwähnten Zeitintervalls, um einen starken Aufschlag des Insassen auf einen Bauteil des Fahrzeugs herbeizuführen.

Der Druck des Gases in der Hülle 15 wird, wenn diese aufgeblasen ist, so gehalten, daß der Insasse sich in die Hülle 15 bewegen kann, wie in Fig., 3 dargestellt. Der Druck in der Hülle 15, der nachfolgend mit P₅ bezeichnet viird, ist beim Aufblasen annähernd der atmosphärische Druck. Außerdem ist das Volumen der Hülle V_x, derart, daß eine wirksame Kontrolle des Insassen erhalten wird, und von ausreichender Größe, um das Volumen des Fahrzeugs zwischen dem Insassen und dem Bauteil des Fahrzeugs im wesentlichen auszufüllen, auf. welchen der Insasse während der Kollision aufschlagen könnte. -Bei der dargestellten Ausführungsform ist das Volumen der Hülle 15 derart, daß das Volumen zwischen dem Insassen und dem Instrumentenbrett des Fahrzeugs im wesentlichen ausgefüllt wird.

Die Hülle 15 ist mit einer Einrichtung in Form eines Ausblas-Aufsatzstücks 50 versehen, das dazu dient, den Druck innerhalb

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-r 8 -

der Hülle 15 im wesentlichen konstant ,zu halten, selbst wenn' die Hülle-bzwο Blase 15 und der Insasse aneinander in Anlage gekommen sind. Das Ausblas-Aufsatzstück 30 ist mit näheren Einzelheiten in dem Patent (Patentanmeldung E 35 866 Il/63c)

beschrieben und bläst unter Bildung einer Öffnung 31 in der Hülle 15 aus, wenn der Druck in der Hülle 15 einen bestimmten G-rad erreicht. Der Druck in der Hülle 15 kann diesen bestimmten Grad durch die Druckmittelströmung in· die Hülle 15 oder durch den Aufschlag des Insassen auf die Hülle 15 erreichen. Wenn das Ausblas-Aufsatzstück 30 weggenommen wird, läßt die Öffnung 31 eine Gasströmung aus der Hülle 15 zu. Auf diese Weise wird der Druck in der Hülle 15 im wesentlichen konstant gehalten, besonders mit Rücksicht auf den Umstand, daß die Hülle 15 aus einem Material, wie hypolonbeschichtetes Nylon, hergestellt ist, das sich etwas dehnt und dadurch eine Veränderung der Größe der Öffnung 31 in der Hülle 15 bewirkt, wenn sich der Insasse in die Hülle bewegt.

Außerdem ist das Volumen des Druckbehälters V_D derart, daß eine Gasströmung in die Hülle 15 erhalten wird, die"während eines bestimmten Zeitintervalls andauert. Diese andauernde Gasströmung in die Hülle 15 hält nach dem anfänglichen Aufblasen der Hülle 15 diese in einem im wesentlichen aufgeblasenen Zustand, wodurch eine fortdauernde Beschränkung des Fahrzeuginsassen über ein geeignetes Zeitintervall erhalten wird.

Aus dem vorangehenden ergibt sich, daß der Zustand der Hülle und der Sicherheitsvorrichtung 10, wenn sich der Insasse und die Hülle in den in Pig. 3 beispielsweise gezeigten Stellungen befinden, derart ist, daß das Strömungsmittel aus der durch das Ausblas-Aufsatzstück 30 gebildeten Öffnung 31 strömt und das Gas immer noch in die Hülle 15 aus dem Strömungsmittelbehälter 20 strömt. Zu diesem Zeitpunkt übt die Hülle eine Beschränkungskraft auf den Fahrzeuginsassen 12 aus, um dessen Bewegung mit

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Bezug auf das fahrzeug zu verringern oder zu "beschränken, so daß der Insasse 12 keinen starken Aufschlag auf einem Bauteil des Fahrzeugs erfährt.

Bei der in Fig. 4 gegebenen Darstellung hat sich der Fahrzeuginsasse 12 weiter mit Bezug auf die Hülle 15 vorbewegt und wird er in der in Fig. 4 gezeigten Stellung beschränkte Die Gasströmung aus dem Behälter 20 kann zu diesem Zeitpunkt zum Stillstand gekommen sein. Die Gasströmung aus der Öffnung 31 dauert Jedoch an. Da die Gasströmung aus der Öffnung 31 andauert, wird nach einem Zeitintervall die Hülle 15 entleert und der Fahrzeuginsasse 12 wird während eines Zeitintervalls im wesentlichen gehalten worden sein. Schließlich nimmt die Hülle einen Entleerungszustand, wie beispielsweise in Fig. 5 dargestellt,ein.

Nach einer beträchtlichen Forschungs- und Entwicklungsarbeit wurde festgestellt, daß die verschiedenen Bauelemente der Sicherheitsvorrichtung 10 entsprechend bestimmten mathematischen Beziehungen gestaltet sein müssen, um ein wirksames und zuverlässiges Sicherheitssystem zu erhalten, das zur tatsächlichen Verwendung in einem Kraftfahrzeug ausreichend praktisch und zuverlässig ist. Diese verschiedenen Beziehungen sind nachfolgend angegeben und die Gleichungen, welche diese Beziehungen bestimmen, werden nachfolgend abgeleitet. Die in der nachfolgenden mathematischen Ableitung verwendeten verschiedenen Elemente sind wie folgt:

K = Verhältnis der spezifischen Wärmekapazitäten des Gases, C /C_v

G = die Kontraktionsziffer der Düse 23

A = öffnungsq.uerschnitt der Düse 23

U = Schallgeschwindigkeit im Gasbehälter

t = Zeit

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V₁₃ = Volumen des Behälters

n * Druck im Behälter 2O₁ wenn dieser geöffnet ist = Druck im Behälter = Behältertemperatur

P₀ = Druck im Behälter 20 zum Zeitpunkt Bull

T = Behältertemperatur zum Zeitpunkt KuIl M-n = die Masse des Gases im Behälter 20 nach dem Öffnen

Jx

M = die Masse des Gases im Behälter 20 zum Zeitpunkt Null T_B = die Hüllentemperatur

W M-Q = die Masse des Gases in der Hülle P_B- = der Druck des Gases in der Hülle V-o = das Volumen der Hülle M = die Massenstromgeschwindigkeit aus dem Behälter

P-P-
^^r
^{g =} 32,16

Sekunden

T = die absolute Temperatur Rankine (Ben.) T™

Jl

R = die Gaskonstante M = M_R -

Die Strömung durch eine gedrosselte Düse, wie die Düse 23» ist:

sf . (k+v

M = GAP V RT VK+V Gl.

Durch Ausscheiden der Konstanten erhält man:

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TT

V τ

g K = CA V R VK+T/ P V T G1.2

Durch Hereintiringen des Behälter-Anfangszustandes P und T ergibt sich:

K f 2

= CA V R

" r

Beim Ordnen der Glieder wird

P_n ΓΤ: rr

ρ² ▼ τ² ρ /ψ

M = CAP₀ V RT₀ A K+Ty ^Po T^ ^fil*

Κ₊1Λ

Tf ι/

g κ /2\

CAP₀ Y RT₀ \K+T/ = Konstante X angenommen wird, dann ist

M=X P₀ ' T

Da der Behälter eine isentropische Aus'dehnung erfährt, ist

PV = konstant G-I.

1 Durch Erheben der Gleichung 6 zur K Potenz erhält man

κ\ 1/K 1/K 1/K

PV J = P V= (Konstante) Gl.

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Durch Ausscheiden von PV aus der Gleichung 7 ergibt sich

(ϊ i"N /ι κ τ " ) _ Ctt.

_pv= (_Konstante)

Durch Substituieren von PV in Gleichung 8 unter Anwendung des Idealen Gasgesetzes

(PV = MRT) ergibt sich

1/K PV = P MRT = (Konstante) Gl.. 9

Durch Dividieren der Gleichung 9 mit MR ergibt sich

1/K
T = (Konstante) / (MR) Gl.10

Da eine Funktion von Konstanten eine Konstante ist, läßt sich, wenn die Behälteranfangszustände P und T hereingebracht werden, aus Gleichung 10 die folgende Beziehung ableiten:

P T = P₀ T₀ Gl.11

Durch Dividieren der Gleichung 11 mit T P ergibt sich

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Durch Potenzieren der Gleichung 12 mit 1/2 ergibt sich

= W

T" Gl.13

Wenn V T unter Verwendung der Gleichung 13 in der Gleichung 5 substituiert wird, erhält man

M=X P₀ ⁷T=

+1 -

Gl.H

Da die zu irgendeinem Zeitpunkt im Behälter verbliebene Strömungsmittelmasse gleich der ursprünglichen Masse abzüglich des Zeitintegrals des Massenstroms ist (Gleichung 14)ι erhält man

ρ Λ \tt

Gl. 15

Durch Multiplizieren der Gleichung 15 mit -1 ergibt sich:

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-H-

K+1

/- t /Ρ_Λ 2ΪΓ

.£ ^xV^Po-/ ^dt Gl.16

Wenn M auf beiden Seiten der Gleichung 16 addiert wird, erhält man

M₀ -M = 4 X \i_Q) dt Gl.

Das Dividieren des idealen Gasgesetzes (PV = MRT) mit RT wird erhalten

PV
M = RT (Gl.18

durch Einsetzen der Behälteranfangszustände P₀, T_Q und M_Q ergibt sich

M₀ = W₀" Gl.19

' Durch Substituieren von M unter Verwendung der Gleichung 18 und von M unter Verwendung der Gleichung 19 in die Gleichung 17 ergibt sich

PV

dt 61.20

PT ■ '

_£ 12
Durch Einsetzen von P und T und Ordnen ergibt sich

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RT₀

P₂ T^ PV P₀ T₀ RT

RT ■ RT,

!i

- P₀ τ

K+1
2K

Gl. 21

Durch Substituieren von T unter Verwendung der Gleichung 12 ( in die Gleichung 21 ergibt sich

RT

1 - F.

P_ P,

K+1 "2T"

Λ-kV VTTV

= RT₀ I 1 -

P_ P,

dt

Gl.22

Durch Differenzieren der Gleichung 22 unter Berücksichtigung, daß das Differential eines Integrals einer Funktion diese Punktion ist, und das Differential von

(Θ

ergibt

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RT₀-

ο -κ

Κ+1

Ott)

dt

Gl.23

Durch. Dividieren der Gleichung

KRT₀X

1-K K

S 23	mit X \	Κ+1 2ΪΓ
Ρ_	-K-1
^Ρο .

= dt Gl.24

Bei der Gliedkonsolidierung ergibt sich

- KRT„Χ νΡ_Λ/

1-3K 2K

= dt

(6-1.25

Wenn die Gleichung 25 in die Integralform gebracht wird, erhält man

-^p

KRT₀X ο

1-3K

(9

dt Gl.26

Unter Berücksichtigung, daß das Integral von

(θ"

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III I Il

N+1

ergibt

"A

KRT₀V

T-K ~2K

P₀V

TK-1) RT₀X

1-K "2K

Gl. 27

Beim Substituieren der Grenzen erhält man

1-K

- 1 i = t -o

Gl.28

Durch Multiplizieren der Gleichung 28 mit ^v ° erhält man

1-K

(K-1) RT₀X

-1 =

Gl.29

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RT₀ ΛκΤΓ^ und die Addition von 1 zur Gleichung 29 ergibt

κ+1

Durch Substituieren von CAP_Q 7 RT_Q VK₊T/ für X

1-K /Kg_ (2 Λ

W = (K-I)RT₀ CAP₀ /RT₀ U₊T; _{t + 1} _G1<30

Die Vereinfachung der Glieder RT_Q und P_Q ergibt

ρ N¹^f (K-1) CA / KgRT

t + 1 Gl. 31

Da die anfängliche Behälter-Schallgeschwindigkeit. Ü_Q = V KgRT₍ führt diese Substitution in der Gleichung 31 zu

1-K

CAU₀ VK₊T/ t + 1 Gl.

2 Λ V

(K-1) V.K₊T/ CAU₀ t + Wenn angenommen « :—ττ— = die

lineare Funktion der Zeit Z ist, ergibt sich

1-K
■""2Έ =

Z Gl.33

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2K

Durch Potenzieren der Gleichung 33 mit 1-K ergibt sich

(ILS)

V1-K/

^Po = ^Z

Sl. 34

Wenn VP /aus der Gleichung 34 in die Gleichung 12 substituiert wird, erhält man

(Z)

Gl.35

Durch Umkehrung der Gleichung 35 ergibt sich

7,

— π

Gl.36

Wenn die Gleichung 18 durch die Gleichung 19 dividiert wird, erhält man

PV RT

- v;

P₀VRT

ρ φ = P₀ T

ai.37

Durch Substituieren VOiKP₀/ aus der Gleichung 34 und vom 35 J aus der Gleichung 35 in die Gleichung 37 erhält man

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(ZX +2 -2K^ 2Κ \ 1-Κ / 2

T=K _Ρ = = 1-Κ Gl. 38

W Z Z^ -Z Z

Da die gesamte Rechenarbeit bisher nur Eigenschaften des Behälters berücksichtigt hat, ergibt die Umschreibung von Gleichung 34> Gleichung 36 und Gleichung 38

^PE

Φ _2

T" = Z ■ . Gl.40

⁰ _2

M_D = Z Gl.41

wobei

'K+1

Z = (K-D(kTt) GAU_n t / (2Υ_Ώ) + 1

Infolge der Massenerhaltung ist:

M₀ = M_R + M_B Gl.42

Wenn die Gleichung 42 durch M_Q dividiert wird, erhält man

¹ = ¹^ ^Mo ' · ■ Gl.43

MR
Durch Subtrahieren von M ergibt sich

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M_R

Durch Substituieren von Z für M durch, die Gleichung 41 in der Gleichung 44 erhält man

% T=E

M₀ = 1 - Z Glo45

Wegen der Massenerhaltung ist die Enthalpieänderung des Gases in der Sicherheitsvorrichtung gleich der an der Atmosphäre und an der Hülle vorgenommenen Arbeit.

^Ho - ^HR - ^HB = ^W ^^

Die Enthalpie eines idealen Gases ist

H=MGT Gl.47

Durch Substituieren vonVRTy für (M) unter Verwendung der Gleichung 18 wird die Gleichung 47

PV PV
H=WCT=I G Gl.48

Infolge der Definition von K ist jedoch

K Gl»49

und für ein ideales Gas

C = C_v + R Gl.50

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- 22 -

Durch Multiplizieren der Gleichung 49 mit C erhält man

G - K G_v Gl.51

Durch Substituieren von G in der Gleichung 50 durch die Gleichung 51 erhält man

K G_v = G_v + R ' Gl.52

Durch Subtrahieren von G von der Gleichung 52 ergibt sich

KC_V - C_v = G_v (K-1) = R Gl.53

Wenn die Gleichung 51 durch K dividiert wird, erhält man

G_v = K Gl.54

Durch Substituieren von K für G_y in die Gleichung 53 durch die Gleichung 54 ergibt sich

K (K-1) = R Gl.55

( K Λ

Durch Multiplizieren der Gleichung 55 mit\R(K~1 )y erhält man

R = K"=T Gl.56

Durch Substituieren von· V₄K-T/ für \ R' durch die Gleichung 56 in der Gleichung 48 ergibt sich

K
H = PV T^T Gl.57

Wenn sich angenommen die Hülle mit einem konstanten inneren Gasdruck (P-g) von einem vernachlässigbaren Innenvolumen auf ein Vo-

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lumen (V_x.) ausdehnt, beträgt die an der Atmosphäre und am

Γι ft

Kissen vorgenommene Arbeit

W = P_B V_B G1.58

Wenn (H) unter Verwendung der Gleichung 57 bei gleichzeitigem Hinzufügen des entsprechenden Index o, R oder B und (W) unter Verwendung der Gleichung 58 in der Gleichung 46 substituiert werden, ergibt sich

κΛ /κΛ (

Durch Multiplizieren der Gleichung 59 mit χ K s erhält man ^PO^VR - ^PR^VR - ^PB^VB ^{β P}B^VB ^{Λ K}

Durch Addieren von P_x, j/b zur Gleichung 60 ergibt sich ^PO^VR - ^PR^YR = ^PB^VB ^{+ P}B^VB

( κ-

\l + K.

( Λ

P_BV-g \l + K. y Gl.61

Durch Dividieren mit P V_n und Vereinfachen erhält man

ο κ

1 - P₀ *= ■ P₀V_R ^T ' (Gl.62)

Durch Substituieren von P~^ durch die Gleichung 39 in der Gleichung 62 ergibt sich

1 - Z . = FTI VTT^ Gl.63

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Durch Multiplizieren der Gleichung 63 mit \2K-V erhält-man

Y^k

2Κ

1 - Z

Durch Substituieren von (Mt₃RT₁₃) für P₁₃V_x, und von (M^RT) für

Ju ό η η · ΟΟ·

P V„ durch das ideale Gasgesetzt in der Gleichung 64 erhält man

¹B ^{R T}B

1-K

Gl. 65

1 - Z

1 -Xi. HItj

Durch Substituieren von 1 - Z für M~ durch die Gleichung 45 in der Gleichung 65 ergibt sich .

2 T=K

1 - (Z)

T ¹R

I-K

1 - Z

Gl. 66

Durch Dividieren der Gleichung 66 mit M-Z J ergibt

- z

1 - Z

2
T=K

Gl «6.7

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f 3

is \T

f

Da K größer als 1 ist, nimmt das Verhältnis \T_Q ' Werte an, K² K

die sich von 2K-1 , wenn die Zeit = 0, auf 2K-1 verändern, wenn die Zeit = CO

Da

Z = (K-T) / 2\ OAU t - + 1

\K+T/ -xw—

Wenn t zunimmt, nimmt Z zu, und wenn t = O, Z=O, und wenn t =00 Z = CO .

Ferner ist

(zum Zeitpunkt=t)

Vb - ^K

ρ ν_Ώ 2K-1 11 - Z /zum Zeitpunkt t

' \ ■. y

beim	Füllen	•	OC)
Und		(bei	K'
	^PB^VB

zum Zeitpunkt t = oO Gl.68

Durch Dividieren der Gleichung 64 durch die Gleichung 68 und da T-Q eine Konstante ist,

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(Zeit = t)

^rB^¥B Vi

(Zeit t)

vf

Zusammenfassung:

K = irgendein Wert K= 1,4

z = (K-D

T₀ = z

-²

M_R

= z

CAU_ot / (2V_R) + 1 = 0,11574 CAU_Qt/

	-7	^VR	+ 1
= Z	-2	Gl.	39

= Z	-5	Gl.	40

= Z	Gl.	41

- ζ

7 (1-Z-7)

7 ^7p5

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2
T=E -5

NL, = 1 - Z = 1-Ζ ' Gl.45

-7, 7 (1-Ζ ,

-D.t

Aus dem vorangehenden ergibt sich., daß bestimmte Annahmen gemacht wurden, und zwar die folgenden besonderen Annahmen:

A das ideale G-asgesetz (PV = MRT)

B eine konstante spezifische Wärmekapazität

G ein konstanter Hüllen-Fülldruck (W = Pt₃V₁₃)

D. Schallströmung an der Düseneinschnürung

^Ρο

Wenn K - 1,4 (Z > ^p ₀ * 1>⁸929)

E die durch den Explosivstoff oder eine ähnliche Betätigungseinrichtung zugeführte Wärme ist vernachlässigbar

F das durch den Explosivstoff oder eine ähnliche Betätigungseinrichtung zugeführte Volumen ist vernachlässigbar

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-. 28 -

G- von der Gesamtwärme im Gasstrom wird eine kleine Menge auf den Diffusor und den Behälter übertragen

H die Dichte des Materials der Hülle 15 oder irgendeine Porosität derselben und das Ausblas-Aufsatzstück 30 haben keine Wirkung auf die Ableitung. Die Gleichungen beziehen sich natürlich auf die Bedingungen bis zum Öffnen des Ausblas-Aufsatzstückes 30, was stattfindet, nachdem die Hülle voll ist.

Das folgenden ist im Zusammenhang mit den vorstehenden Annahmen zu berücksichtigen:

A - Das ideale Gasgesetz: Ein Gas weicht von diesem Gesetz ab, je näher es der Verflüssigung liegt und hier je empfindlicher

ρ V
BB für eine Behältertemperaturänderung ist.

B - Konstante spezifische Wärmekapazität: Bei der Temperatur von Interesse (333°K (600⁰R) und darunter) trifft diese Annahme zu.

0 - Konstante Hüllendruckfüllung: Diese Annahme ist zutreffend, da der Druck P_ der Hülle 15 gleich dem atmosphärischen Druck ist, wenn das Hüllenmaterial schwach ist. Wenn das Hüllenmaterial eine Festigkeit wie Stahl hätte, so würde dies einen nahezu konstanten Druck zum Aufblasen der Hülle erfordern.

D - Für ein angemessenes System (P £^1,141 kg/mm ) erreicht die Hülle 98 $ seines (t *O©) asymptotischen Füllvolumens, bevor die Strömung in- der Düse eine Unterschariströmung wird. Hierbei wird nochmals hervorgehoben, daß die Düse, die den Mindestquerschnitt für die Gasströmung bildet, durch Explosion weder gebildet noch geformt wird.

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-29 -

E & F - Die Wirkung der Betätigungseinriciitung auf das Sack- bzw. Blasenvolumen beträgt M_c, C_m, T_T1 und M₁, R-, T₁, , wobei

■Hi -T-Ij 11» JIi a Ja

^Mo ^Cpo ^To ^Mo ^Ro ^To

der Index E bei einer Menge die Menge der Explosivstoffladung 21 anzeigt. Daher können, wenn IVL, Τ,, klein im Vergleich zu 1

¹O^O

wird, diese Einrichtungen ohne Nachteil unberücksichtigt bleiben. Sonst muß eine Energiebilanz zwischen den Explosivstoff-Gaspordukten ]VL und dem Behältergas in der Hülle i/L, d.h.

Ji Ja

T_R und P^, = (Mg R^ + M_£ H^) T_£·

^ME^GPE ^{+ M}B ^CPB

hergestellt werden. Bei dem beschriebenen System beträgt die Volumenzunahme durch den Explosivstoff etwa 5fo_t was unberücksichtigt bleiben kann.

G - Bei den Gleichungen wird außerdem angenommen, daß nur eine kleine Menge der Gesamtwärme in der Gasströmung auf den Behälter und den Diffusor übertragen wird, was der Fall zu sein scheint. Wenn die Strömung eher isothermisch statt adiabatisch wäre (vollkommener Wärmeübergang auf einen Behälter und Diffusor von undendlichem Gewicht), würde die Wirkung auf das Hüllenvolumen nur 5fo bei /cAÜ^T \ = 1 und 10$ bei /caU₀!E\= 1 1/2 betragen.

Bei Verwendung der vorstehend angegebenen mathematischen Gleichungen kann eine Fahrzeugsicherheitsvorrichtung gebaut werden, die außerordentlich praktisch und sehr zuverlässig im Betrieb ist. Bei der Gestaltung des Systems werden der Druck (P₃₃) in der Hülle 15 und das Volumen (V-g) der Hülle 15 durch die besondere Arbeit bestimmt, welche die Hülle ausführen soll. Das

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Volumen (V-n) der Hülle 15 verändert sich je nach der Größe des Kraftfahrzeugs und je nach der Anordnung derselben im Kraftfahrzeug. Außerdem ist es wünschenswert, daß etwa 20 bis 95% des im Behälter 20 verfügbaren Gases zum Aufblasen verwendet werden. Dies ist erwünscht, da ein Betrag der Druckmittelströmung in die Hülle 15 nach dem Entfernen des Ausblas-Aufsatzstückes fortdauern soll. Dies bedeutet in der Tat, daß das Verhältnis des Volumens der Hülle 15 zur Aufblaszeit, nämlich zum Zeitpunkt t,zum Volumen der Hülle 15 zum Zeitpunkt unendlich, wel-K ches das Volumen der Hülle 15 sein würde, wenn 100% des Strömungsmittels im Behälter 20 zum Aufblasen verwendet werden würden, innerhalb des Bereiches von 20 bis 95% liegt. Aus der Gleichung 69:

V^° 1 - Z (20% bis 95%)

Daher kann für K = 1,4 (Stickstoff) Z dadurch bestimmt werden, daß der berechnete Bereich für Z in die Gleichung 64 substituiert wird, und da der Druck (p_) und das Volumen (V-g) der Hülle bekannt sind, kann das Produkt P_QV_fi gelöst werden. Das Produkt PL muß innerhalb des folgenden Bereichs liegen: 2K—1 λ _ _.. Ty (^p _b ^vb) ^{= p}o^vr

Außerdem liegt, wie erwähnt, die Aufblaazeit der Hülle 15 vorzugsweise innerhalb des Bereiches von 0,010 bis 0,100 Sekunden. Daher können die Eigenschaften, nämlich die Kontraktionsziffer (C) der Düse 23 und der Öffnungsq.uerschnitt der Düse 23 wie folgt berechnet werden: ·

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Z = "(K-I) ί_2_Λ CAU_ot + 1

2 N

17" ii /

CAU t =0,28 "bis 4»41 für den Bereich, von Z ,

wobei der Wert 0,28 für eine 20%ige Massenausnutzung und der Wert von 4,41 für eine 95?feige Massenausnutzung ist. Für ein hochwirksames und zuverlässiges System soll dieses so gebaut sein, daß das Produkt von P₀"V_R gleich (5 bis 1,05) mal 2K-1 dividiert durch. K und mal Pt₃Vt, ist, während die Größe CAU„t

innerhalb des Bereiches von 0,28 bis 4»41 liegen soll und die Aufblaszeit 0,010 bis 0,100 Sekunden beträgt·

Die graphische Darstellung in Fig. 7 zeigt bestimmte mathematische Beziehungen. Diese Beziehungen werden nicht beschrieben, da die Beschriftung für sich selbst spricht. Aus dieser graphischen Darstellung kann der Betriebsbereich der verschiedenen Beziehungen leicht bestimmt werden, da der Betriebsbereich der dimensionslosen Zeitfunktion 0,28 bis 4»41 ist«

Aus dem vorangehenden ergibt sich, daß durch die Erfindung eine hochwirksame und zuverlässige Fahrzeugsicherheitsvorrichtung geschaffen wurde, durch welche ein Fahrzeuginsasse während einer Kollision geschützt werden kann. Die Erfindung ist nicht auf die dargestellte und beschriebene Ausführungsform beschränkt, sondern kann innerhalb ihres Rahmens verschiedene Abänderungen erfahren«

Patentansprüche:

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. Fahrzeugsicherheitsvorrichtung, gekennzeichnet durch eine Hülle (15) mit einem zusammengelegten Ruhezustand und einem aufgeblasenen Betriebszustand, welche Hülle einen Fahrzeuginsassen während einer Kollision dadurch schützt, daß dessen Bewegung beschränkt wird, eine Einrichtung, die einen Behälter

(20) zur Aufnahme eines Gasvorrats bildet, welcher Behälter ein Volumen Υ_Ώ und einen Gasdruck P„ hat, eine Einrichtung (21), durch welche eine Gasströmung aus dem Behälter herbeigeführt werden kann, um die Hülle (15) aufzublasen, welch letztere in ihrem aufgeblasenen Zustand ein Volumen V_ und einen Gasdruck P_ hat, wobei das Gas durch eine Düse (23) strömt, welche den Mindestströmungsquerschnitt für das aus dem Behälter strömende Gas bildet, und wobei das Produkt von P V_D gleich

ο it

(P_EV_B)

1 - Z / ist, worin K das Verhältnis

der spezifischen Wärmekapazitäten des Gases G ist und die Größe

2K

A ΎΓ

1 - Z / gleich dem Volumenverhältnis der Hülle zum

/ ■ ■' ■■■■■■. ' . '. ■

Zeitpunkt t, nämlich Y_Bt ^und des Volumens der Hülle zum Zeitpunkt unendlich Y-o¹ ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Büse (23) eine Kontraktio;nsziffer Q ha,t und der Öffnungsquerscnnitt A bestimmt wird durch die. Gleichung:

Κ+1

Z = (K-1)VK+Ty GAU_ot / 2V_R

wobei U = die Schallgeschwindigkeit der Druckmittelströmung im Behälter zum Anfangszeitpunkt der Strömung und

t = die Aufblaszeit der Hülle auf das Volumen V_x,.

3· Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß t gleich 0,010 bis 0,100 Sekunden beträgt.

4ο Vorrichtung nach den vorangehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß
2K

1 - Z I gleich 0,020 bis 0,95 ist.

5. Vorrichtung nach den vorangehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas Stickstoff ist, dessen K etwa 1,4 beträgt.

6© Vorrichtung nach den vorangehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung, welche eine Gasströmung aus dem Behälter herbeiführt, durch Mittel (21) gebildet wird, die eine Öffnung im Behälter herstellen, welche die Düse (23) bildet.

7· Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel, welche eine Öffnung im Behälter herstellen, durch einen Explosivstoff (21) gebildet werden«

8. Vorrichtung nach den vorangehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß dem Behälter (20) ein Diffusorteil (27) zugeordnet ist, der sich im Druckmittelstrom zur Hülle (15) befindet.

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9. Fahrzeugsicherheitsvorrichtung, gekennzeichnet durch eine ■ Hülle (15) mit einem zusammengelegten Ruhezustand und einem aufgeblasenen Betriebszustand, in welchem die' Hülle einen Fahrzeuginsassen dadurch schützt, daß sie dessen Bewegung während einer Kollision beschränkt, Mittel (20), die einen Behälter zur Aufnahme eines Gasvorrats bilden, welcher Behälter (20) ein Volumen V_n und einen Gasdruck P hat, eine Einrichtung (21),

Λ , O

durch welche eine Gasströmung aus dem Behälter herbeigeführt werden kann, um die Hülle (15) aufzublasen, welch letztere im ψ aufgeblasenen Zustand ein Volumen V_ß und einen Druck p_ hat, wobei das Gas durch eine Düse (23) strömt, welche den Mindestströmungsquerschnitt für das Gas bei dessen Strömung aus dem Behälter (20) darstellt, wobei das Produkt von P V„ innerhalb

O Ά

des Bereiches von (5 bis 1,05) 2K-1 P_bV-d liegt, worin K das

Verhältnis der spezifischen Wärmekapazitäten des Gases C ist,

⁰V -

die Düse (23) eine Kontraktionsziffer C und einen Öffnung sq.uerschnitt A innerhalb des Bereiches hat, der durch die Gleichung CAV

V-r, = 0,28 bis 4,41 bestimmt ist, wobei IL = die Schallge-K ο

} schwindigkeit der Druckmittelströmung im Behälter zum Anfangszeitpunkt der Strömung ist,
t = die Aufblaszeit der Hülle 0,010 bis 0,100 Sekunden beträgt

und
V_R = das Behältervolumen.

10. Fahrzeugsicherhei'tsvorrichtung, gekennzeichnet durch eine Hülle (15) mit einem zusammengelegten Ruhezustand und einem aufgeblasenen Betriebszustand, in welch letzterem die Hülle einen Fahrzeuginsassen während einer Kollision dadurch schützt, daß sie dessen Bewegung beschränkt, einen Behälter (20) zur Aufnahme eines Gasvorrats, eine Einrichtung (21), durch welche eine Gasströmung aus dem Behälter herbeigeführt werden kann, um

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die Hülle innerhalb eines Aufblaszeitbereichs von 0,010 bis 0,100 Sekunden aufzublähen, wobei 20 bis 95$ des im. Behälter verfügbaren Gases zur Füllung der Hülle innerhalb der Auf blas-zeit ausgenützt werden.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (20) einen Gasdruck p_ und ein Volumen V₁₃ hat und

ο ti

das Produkt P₀Yp gleich

2K-1
(5 bis 1,05) K ^pb^vb ^is1;» wobei P-g der Druck in der Hülle ist, V-n das Volumen der Hülle (15) ist und K das Verhältnis der spezifischen Wärmekapazitäten des Gases.

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