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Die
Erfindung betrifft einen Kraftbegrenzer für ein Sicherheitsgurtsystem
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Solche
Kraftbegrenzer werden bei Sicherheitsgurtsystemen dazu verwendet,
die im Sicherheitsgurt maximal wirkende Kraft auf einen Wert zu begrenzen,
der für
einen von dem Sicherheitsgurt zurückgehaltenen Fahrzeuginsassen
unkritisch ist. Wenn dieser Wert im Sicherheitsgurt erreicht wird, gibt
der Kraftbegrenzer über
die Verdrehung zwischen der Welle und dem Lagerteil eine zusätzliche Länge Gurtband
frei, die als zusätzlicher
Verzögerungsweg
zur Verfügung
steht und einen weiteren Anstieg der im Sicherheitsgurt wirkenden
Kraft verhindert.
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Ein
solcher Kraftbegrenzer kann an verschiedenen Stellen des Sicherheitsgurtsystems
eingesetzt werden. In jüngster
Zeit werden vermehrt Gurtaufroller mit einem solchen Kraftbegrenzer
versehen, der beim Überschreiten
der vorgesehenen maximalen Kraft im Sicherheitsgurt eine Verdrehung der
Gurtspule relativ zum Gurtaufroller in der Gurtband-Abwickelrichtung
ermöglicht,
wodurch Gurtband freigegeben wird. Zu diesem Zweck kann insbesondere
ein Torsionsstab verwendet werden, der zum einen mit der Gurtspule
und zum anderen mit dem Gurtaufroller verbunden ist. Beim Überschreiten eines
durch die Dimensionierung des Torsionsstabes vorgegebenen Drehmomentes
kann die Gurtspule relativ zum Gurtaufroller verdreht werden, wobei
es zu einer elastischen und/oder plastischen Verformung des Torsionsstabs
kommt. Ein Nachteil eines solchen Kraftbegrenzers ist jedoch, daß die Kennlinie eines
solchen Kraftbegrenzers, also der Verlauf des Drehmomentes über dem
Winkel der Verdrehung zwischen der Gurtspule und dem Gurtaufroller
oder der Verlauf der Gurtbandkraft über dem freigegebenen Gurtband,
nur geringfügig
geändert
werden kann. Derzeit ist nur bekannt, die effektive Länge des Torsionsstabes
zu ändern,
indem beispielsweise mechanisch oder elektromechanisch die effektive
Länge des
Torsionsstabes während
des Be triebs geändert wird,
um die Kennlinie des Kraftbegrenzers beispielsweise an das Gewicht
eines Fahrzeuginsassen anzupassen. Auf diese Weise kann jedoch lediglich
die Federkonstante des Torsionsstabs geändert werden; die Kennlinie
insgesamt kann nicht beeinflußt
werden.
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Die
gattungsbildende
US 4,323,205 zeigt
einen Gurtaufroller mit einem Energieaufnahmeelement. Beim Überschreiten
des Widerstands des Energieaufnahmeelements wickelt sich dieses
um eine Welle, wodurch ein gleichmäßiger Gurtbandauszug trotz
blockierter Gurtspule möglich
ist.
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Im
Gegensatz dazu schafft die Erfindung einen Kraftbegrenzer, dessen
Kennlinie in beliebiger Weise gestaltet und damit an die Einsatzbedingungen
angepaßt
werden kann.
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Gemäß der Erfindung
ist ein Kraftbegrenzer der eingangs genannten Art durch ein Deformationselement
gekennzeichnet, das eine Welle entgegengesetzt zur Richtung der
Verdrehung zwischen der Welle und dem Lagerteil wenigstens teilweise
umschlingt, wobei das Deformationselement aus zwei Deformationsabschnitten
besteht und die Welle (10) mit einem Schlitz versehen ist,
wobei sich ein zwischen den beiden Deformationsabschnitten erstreckender
Mittelabschnitt (16) des Deformationselementes (14)
durch diesen Schlitz hindurch erstreckt. Ein solcher Kraftbegrenzer
kann mit einem Federtrieb für
eine Uhr verglichen werden, bei dem eine sehr kurze Feder eingebaut
ist. Die bei der Kraftbegrenzung erfolgende Verdrehung zwischen
der Welle und dem Lagerteil entspricht dabei einer Verdrehung, die
entgegengesetzt zu der Richtung ist, in die die beiden Enden der
Feder beim Spannen relativ zueinander verdreht werden. Da das als „Feder" wirkende Deformationselement
vergleichsweise kurz ist, hat es im Ausgangszustand ein großes Widerstandsmoment
gegen eine solche Verdrehung. Somit kommt es unterhalb eines durch
das Widerstandsmoment vorbestimmten Drehmomentes zu einer nur geringfügigen Verdrehung
zwischen der Welle und dem Lagerteil bei einem starken Anstieg des
wirkenden Drehmomentes. Wird das vorbestimmte Drehmoment überschritten,
wird die von dem Deformationselement gebildete Wicklung der „Feder" aufgebogen. Da das
Deformationselement in diesem Zustand ein geringeres Widerstandsmoment
als im Ausgangszustand hat, sinkt das zum Erzielen einer Verdrehung zwischen
der Welle und dem Lagerteil notwendige Drehmoment ab. Es kann nun
eine größere Verdrehung
zwischen der Welle und dem Lagerteil bei vermindertem Drehmoment
erfolgen, bei der das Deformationselement in zum Ausgangszustand
entgegengesetzter Richtung auf die Welle aufgewickelt wird, bis
es die Welle eng umschling. In diesem Zustand kann der Kraftbegrenzer
mit einem Federtrieb verglichen werden, bei dem die Feder vollständig gespannt ist,
also auf Block gezogen ist. Somit ist eine weitere Verdrehung zwischen
der Welle und dem Lagerteil nur durch das Aufbringen eines sehr
stark ansteigenden Drehmoments möglich.
Das aus zwei Deformationsabschnitten bestehende Deformationselement führt zu einem
besonders kompakten Kraftbegrenzer.
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Bei
einem solchen Kraftbegrenzer ergibt sich ein Verlauf von Gurtbandkraft über freigegebenem Gurtband,
der sich als besonders günstig
herausgestellt hat, wenn zusätzlich
zu dem Sicherheitsgurtsystem ein Gassack-Rückhaltesystem verwendet wird.
In einem ersten Abschnitt des Rückhaltevorgangs
soll die Gurtbandkraft einen vorbestimmten, definierten Wert erreichen.
Während
dieser Phase wird der Fahrzeuginsasse nahezu ausschließlich durch
den Sicherheitsgurt zurückgehalten.
An diesen Abschnitt schließt
sich ein Abschnitt an, bei dem der Fahrzeuginsasse durch die kombinierte
Wirkung des Gassack-Rückhaltesystems
und den Sicherheitsgurt zurückgehalten
wird, wobei der Großteil
der Rückhaltewirkung
vom Gassack bereitgestellt werden soll. Daher wird angestrebt, daß die im
Sicherheitsgurt wirkende Kraft in diesem Abschnitt auf einen Wert abfällt, der
deutlich kleiner als der vorbestimmte Wert während des ersten Abschnitts
ist, so daß durch
Freigeben einer zusätzlichen
Länge von
Gurtband ein kontrolliertes Eintauchen des Fahrzeuginsassen in den
Gassack möglich
ist. In einem letzten Abschnitt des Rückhaltevorgangs muß dagegen
wieder eine stark ansteigende Gurtbandkraft bereitgestellt werden,
um bei einem harten Fahrzeugaufprall eine übermäßige Vorverlagerung des Fahrzeuginsassen zu
verhindern. Genau dieser Verlauf läßt sich mit dem erfindungsgemäßen Kraftbegrenzer
erreichen. Durch das im Ausgangszustand des Kraftbegrenzers definierte
Widerstandsmoment des Deformationselementes ergibt sich ein kontrollierter
Anstieg des von dem Kraft begrenzer zugelassenen Drehmoments und
damit der Gurtbandkraft, bevor eine Kraftbegrenzung erfolgt. In
der sich daran anschließenden
Phase des Aufbiegens der Wicklung des Deformationselementes ergibt
sich ein Abfall des zwischen der Welle und dem Lagerteil wirkenden
Drehmomentes. Sobald das Deformationselement in der entgegengesetzten
Richtung auf die Welle aufgewickelt ist, ergibt sich schließlich ein
starker Anstieg des Drehmomentes.
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Durch
die Länge
des Deformationselementes, die Anzahl der Wicklungen des Deformationselementes
auf der Welle, die Anzahl der Deformationselemente, den Werkstoff
des Deformationselementes, dessen Dicke und dessen Breite sowie
verschiedener anderer Parameter kann bei dem erfindungsgemäßen Kraftbegrenzer
der Verlauf von Drehmoment über
Verdrehwinkel zwischen Welle und Lagerteil nahezu beliebig eingestellt
werden.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung ist weiterhin ein bewegbares Stützelement vorgesehen, das an
der Außenseite
des Deformationselementes angreift. Mit diesem Stützelement kann
das Widerstandsmoment des Deformationselementes insbesondere im
Ausgangszustand verändert
werden, so daß der
Kraftbegrenzer an das Gewicht eines von dem Sicherheitsgurtsystem
zurückzuhaltenden
Fahrzeuginsassen angepaßt
werden kann.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
ist vorgesehen, daß das
Deformationselement eine Gurtspule eines Gurtaufrollers mit dessen Achse
verbindet. Bei einer solchen Ausgestaltung ersetzt der erfindungsgemäße Kraftbegrenzer
einen Torsionsstab, der bei herkömmlichen
Gurtaufrollern zur Kraftbegrenzung verwendet wird. Der erfindungsgemäße Kraftbegrenzer
kann dabei im Inneren der Gurtspule angeordnet sein, so daß die Gesamtkonzeption
des entsprechenden Gurtaufrollers nicht geändert werden muß.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die
Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung
erläutert.
In dieser zeigen:
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1 schematisch
einen erfindungsgemäßen Kraftbegrenzer;
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2 ein
Beispiel einer Kennlinie von Gurtbandkraft über freigegebener Gurtbandlänge, die
mit einem erfindungsgemäßen Kraftbegrenzer
erzielt werden kann;
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3 schematisch
einen im Inneren einer Gurtspule angeordneten erfindungsgemäßen Kraftbegrenzer;
und
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4 schematisch
einen zwischen Gurtaufroller und Fahrzeug angeordneten erfindungsgemäßen Kraftbegrenzer.
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In 1 ist
schematisch ein erfindungsgemäßer Kraftbegrenzer
dargestellt. Dieser besteht aus einer Welle 10, zwei Lagerteilen 12 und
einem Deformationselement 14. Die Welle 10 und
die Lagerteile 12 können
relativ zueinander in der Richtung des Pfeils V verdreht werden,
wobei die beiden Lagerteile 12 relativ zueinander feststehend
sind. Die Kraftbegrenzung wird erzielt, indem oberhalb einer gewissen vorbestimmten
Kraft, die als Drehmoment zwischen den Lagerteilen 12 und
der Welle 10 wirkt, eine Verdrehung zwischen der Welle 10 und
den Lagerteilen 12 möglich
ist. Diese Verdrehung ermöglicht,
einem weiteren Anstieg der Kraft entgegenzuwirken.
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Das
Deformationselement 14 besteht bei der dargestellten Ausführungsform
aus zwei Deformationsabschnitten 15, die durch einen Mittelabschnitt 16 miteinander
verbunden, der sich durch einen Schlitz in der Welle 10 hindurch
erstreckt. Das Deformationselement 14 ist an seinen beiden
Enden in die Lagerteile 12 eingespannt, wobei diese Einspannung zweiwertig
ist, so daß lediglich
Zug- und Querbelastungen des Deformationselements 14 aufgenommen werden.
In dem in 1 dargestellten Ausgangszustand
bildet jeder Deformationsabschnitt 15 eine Wicklung, welche
die Welle 10 ausgehend von den Lagerteilen 12 um
360° in
einer Richtung umschlingt, die entgegengesetzt zur Richtung V ist.
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Auf
der Außenseite
der von den Deformationsabschnitten 15 gebildeten Wicklung
ist ferner ein Stützelement 20 angeordnet,
das in Umfangsrichtung um die Deformationsabschnitte 15 herum
bewegt werden kann. Dieses Stützelement
kann beispielsweise mechanisch oder elektromechanisch bewegt werden.
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Nachfolgend
wird die Funktionsweise des in 1 dargestellten
Kraftbegrenzers beschrieben, wobei auf die in 2 dargestellte
Kennlinie Bezug genommen wird. In dieser ist der Verlauf einer Zugkraft
F über
einer Wegstrecke s dargestellt. Diese Zugkraft F, multipliziert
mit ihrem Hebelarm, stellt sich als ein zwischen der Welle 10 und
den Lagerteilen 12 wirksames Drehmoment dar, und die Strecke
s ergibt sich durch den Verdrehwinkel zwischen der Welle 10 und
den Lagerteilen 12 multipliziert mit dem Hebelarm der Kraft
F.
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Wenn
beispielsweise die Welle C entlang der Richtung des Pfeils V relativ
zu den Lagerteilen 12 beaufschlagt wird, kommt es zu einem
starken Anstieg der wirkenden Kraft bei einer vergleichsweise geringen
Verdrehung (Abschnitt A von 2). In diesem
Abschnitt wirkt einer Verdrehung zwischen der Welle 10 und
den Lagerteilen 12 das Widerstandsmoment der Deformationsabschnitte 15 entgegen. Dieses
Widerstandsmoment kann durch die Stützelemente 20 beeinflußt werden.
Wenn die Stützelemente
sich näher
an dem entsprechenden Lagerelement für den ihnen zugeordneten Deformationsabschnitt 15 befinden,
also gegenüber
der in 1 dargestellten Stellung entgegen dem Uhrzeigersinn
verdreht, ergibt sich ein vergleichsweise geringes Widerstandsmoment.
Befinden sich dagegen die Stützelemente 20 weiter
von den entsprechenden Lagerteilen 12 entfernt, also bezüglich der
in 1 dargestellten Stellung im Uhrzeigersinn verdreht,
ergibt sich ein hohes Widerstandsmoment. Weiterhin wird das Widerstandsmoment
durch die jeweils gewählte
Gestalt für
das Deformationselement 14, den gewählten Werkstoff, etc. beeinflußt.
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In
Abhängigkeit
von dem jeweils gewählten Widerstandsmoment
wird am Ende des Bereichs A eine vorbestimmte Kraft F1 erreicht.
Daran anschließend
kommt es zu einem Aufbiegen der von den Deformationsabschnitten 15 gebildeten
Wicklungen. In einem ersten Bereich, entsprechend dem Bereich B von 2,
ist die zum Aufbiegen der Wicklungen benötigte Kraft annähernd konstant.
Anschließend
ergibt sich ein deutlicher Abfall der Kraft bis auf einen zweiten
Wert F2. Dieser Bereich, in welchem die Deformationsabschnitte 15 in
einer zum in 1 dargestellten Ausgangszustand
entgegengesetzten Richtung wieder auf die Welle 10 aufgewickelt
werden, entspricht dem Bereich C von 2. Schließlich kommt
es bei fortgesetzter Verdrehung wieder zu einem starken Anstieg
der Kraft, da die Deformationsabschnitte 15 die Welle 10 nach
Art einer auf Block gezogenen Spiralfeder eng umschließen. Dieser
Bereich mit ansteigender Kraft ist als Bereich D in 2 dargestellt.
In diesem Zustand wirken aufgrund der zweiwertigen Lagerung der
Deformationsabschnitte in diesen lediglich Zugspannungen, so daß eine hohe Belastbarkeit
erzielt wird. Ferner tritt zwischen der Welle und den Deformationsabschnitten
sowie zwischen aufeinanderliegenden Wicklungen der Deformationsabschnitte
Reibung auf, welche die Belastung der Deformationsabschnitte vermindert,
insbesondere im Bereich der Welle 10, in dem das Deformationselement
um 180° umgebogen
wurde. Somit ist das Deformationselement sehr stark belastbar.
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In 3 ist
schematisch ein erfindungsgemäßer Kraftbegrenzer
dargestellt, der in einen Gurtaufroller eingebaut ist. Der Kraftbegrenzer
ist in seiner Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 30 versehen.
Die Lagerteile des Kraftbegrenzers sind im Inneren einer Gurtspule 32 eines
Gurtaufrollers ausgebildet, die in einem Gehäuse 34 drehbar gelagert
ist. Die Welle des Kraftbegrenzers entspricht einer Welle 36 des
Gurtaufrollers, die gurtband- oder fahrzeugsensitiv mittels einer
(nicht dargestellten) Blockiereinrichtung blockiert werden kann.
Wenn die Welle 36 gesperrt ist und im schematisch dargestellten
Gurtband 38 eine Zugkraft entlang der Richtung G auftritt,
wirkt zwischen der Gurtspule 32 und der Welle 36 ein
Drehmoment, das der Gurtbandkraft G multipliert mit dem Angriffsradius
des Gurtbandes an der Gurtspule entspricht. Wenn eine vorbestimmte Gurtbandkraft überschritten
wird, kommt es in der oben dargestellten Weise zu einer Verdrehung
zwischen der Gurtspule 32 und der Welle 36, wodurch zusätzliches
Gurtband freigegeben wird. Die Länge
s des freigegebenen Gurtbandes entspricht dabei dem Winkel der Verdrehung
zwischen der Gurtspule und der Welle multipliziert mit dem Angriffsradius
des Gurtbandes.
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In 4 ist
schematisch ein Gurtaufroller dargestellt, dessen Gurtspule 32 in ähnlicher
Weise wie bei dem in 3 dargestellten Gurtaufroller
mittels eines erfindungsgemäßen Kraftbegrenzers 42 mit
der im Rahmen 40 des Gurtaufrollers gelagerten Welle 36 verbunden
ist. Der Unterschied zu dem in 3 dargestellten
Gurtaufroller besteht lediglich darin, daß der Kraftbegrenzer nicht
im Inneren der Gurtspule, sondern außerhalb des Rahmens 40 angordnet
ist.
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Selbstverständlich ist
es möglich,
bei dem erfindungsgemäßen Kraftbegrenzer
mehr als ein Deformationselement vorzusehen. Ebenso ist es möglich, daß sich die
Dicke und/oder die Breite des Deformationselementes entlang seiner
Länge ändert. Für das Deformationselement
wird ein duktiler Werkstoff verwendet, vorzugsweise Stahl. Dies
ermöglicht,
durch Biege/Rolldeformation und anschließende Zugbelastung den gewünschten
Verlauf von Drehmoment über
Verdrehwinkel zu erhalten.