DE19844427A1 - Reduzierung der Knallbelastung beim Auslösen eines Airbags - Google Patents

Abstract

Die beim Auslösen eines Airbags auftretenden Knall-Pegel liegen über dem für Geschoßlärm zulässigen Limit. Tatsächlich werden an Airbag-Patienten Hörverlust, Tinnitus, Vertigo und auch Trommelfell-Risse diagnostiziert. Um diese Gefährdung abzubauen, wird synchron und kollokal zur Airbag-Expansion Luft aus dem Wageninnern abgesaugt. Als Saugaggregate dienen Gasstrahlsaugpumpen, die von einem Gasgenerator angetrieben werden. In einer weiteren Variante wird die abgesaugte Luft zusammen mit dem als Gasstrahldruckpumpe wirkenden Gasstrahl zur Füllung des Airbag-Sackes mitverwendet (Fig. 4). Damit wird gleichzeitig die Temperatur im Airbag herabgesetzt. Die zeitliche und lokale Dimensionierung der Luftabsaugung erfolgt nach den Vorschriften der Antischall-Technik, insb. der akustischen Neutralisation und der gerichteten Schallauslöschung. Falls die natürliche passive Steuerung des Luftstromes nicht ausreicht, wird eine ebenfalls vom Gasgenerator betriebene Fluidik-Steuerung herangezogen.

Description

Beim Airbag-Rückhaltesystem muß innerhalb einer begrenzten Zeit t ein Airbag-Volumen V aufgebaut werden. Typische Werte für einen PKW-Airbag sind beispielsweise t = 50 ms und V = 50 Liter. Eine solche explosionsartige Volumenvermehrung stellt einen akustischen Strahler dar; der Schalldruck des Monopolanteils ist proportional der Volumenbeschleuni­ gung. Die auf das Ohr eines PKW-Fahrers einwirkenden Spitzenpegel können bis zu 170 dB reichen, was einem Schalldruck von 3000 Pa entspricht. Diese Werte liegen über dem bei Geschoßlärm zulässigen Pfander-Limit. Ebenso wird das CHABA-Kriterium überschritten. (B. Hoffmann: Gehörschäden durch Airbag. DAGA-Fortschrittsberichte 1998) Bei einem gesunden Ohr besteht zwar keine Gefahr eines Trommelfell-Risses, sehr viel gefährlicher sind Knalltraumata, Hörstürze, bleibende Gehörschäden, Gleichgewichtsstörungen und Tinnitus.

Es gelingt zwar, durch optimierte Volumensteuerung den Airbagknall herabzusetzen, wegen der Vorgaben an Zeit t und Volumen v sind diese Möglichkeiten sehr begrenzt; eine Kappung des Spitzendrucks erhöht außerdem die Einwirkzeit. Im weiteren ist es Stand der Technik, die Zündzeiten der einzelnen Airbags im Wagen zeitlich zu versetzen, um eine Pegeladdition zu vermeiden. Bekannt ist nach GMB DE 296 19 556 vom 23. 4. 98 auch, vor dem Airbag einen schwächeren, das Ohr nicht gefährdeten Vorwarnknall auszulösen. Dank dem Stapedius- Reflex kommt es dadurch zu einer Lärmadaption und zu einem Selbstschutz des Ohres. Die Latenzzeit des Stapedius-Reflexes liegt - pegelabhängig - bei 0,5 bis 150 ms. Dieser Effekt entspricht einer Pegel-Absenkung von 5 dB.

Inzwischen gehören Fahrer- und Beifahrer-Airbags zur Standardausrüstung eines PKW's. In der Einführungsphase befinden sich Airbags für den Seitenaufprall und auch für den Fuß­ raum. Da diese Airbag-Voluminas bereits einen beträchtlichen Anteil am Fahrzeugraum aus­ machen, kommt es bei geschlossenem Fenster zu einer weiteren Drucküberhöhung. Damit sind Millionen von Menschen potentiell der Knallgefährdung auch durch unbeabsichtigte, fehlerbedingte Auslösung eines Airbags exponiert. Tatsächlich häufen sich Pressemeldungen über otologische Airbag-Schäden. In einer amerikanischen Analyse an 29 Airbag-Patienten wurden folgende Befunde diagnostizert: Tinnitus (17), Hörverlust (16), Trommelfell-Bruch (2), Vertigo (2) und Perilymph-fistula (1). (K. Yaremchuk, R. Dobie: Otologic effects of air bag deployment. J. Acoust. Soc. Amer. vol. 104. Sept. 98. S. 1769/70 oder http://asa.aip.org).

Es ist die Aufgabe gestellt die Knalldruck-Spitzen und auch die Einwirkzeiten beim Auslösen eines Airbags zu reduzieren und den Fahrgast vor Gehörschädigung zu schützen und dieses Prinzip auf andere Knallvorgänge zu übertragen.

Nach dem Hauptmerkmal der Erfindung wird mit der Airbag-Zündung eine Luftmenge mög­ lichst synchron und möglichst nahe dem expandierenden Airbag-Volumen aus dem Wagenin­ nenraum abgesaugt und in den Außenraum befordert. Aus der Antischall Technik ist be­ kannt, daß sich bei einer solchen Volumenkompensation die Schallemission verringert.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung beginnt die Absaugung bereits vor der Airbag Zündung, um damit die durch die hohe Volumenbeschleunigung am Aufblasbeginn verur­ sachte Knalldruckspitze abzubauen.

Nach einem weiteren Erfindungsmerkmal werden zur Luftabsaugung Gasstrahlpumpen be­ nutzt, die wie beim Airbag von einem Gasgenerator angetrieben werden. Solche Saug- und Drucksysteme sind einfach, wartungsfrei und vergleich schnell wie beim Airbag aktivierbar.

Ebenso können auch die anderen bekannten Pumpsysteme verwendet werden, insbesondere aerodynamische Rotationspumpen wie Diagonal- und Axialräder. Zweckmäßigerweise sind diese wieder durch Treibgas aus einen Gasgenerator angetrieben, z. B. durch ein koaxiales Turbinenrad.

Nach einem weiteren Merkmal wird die abgesaugte Luft nicht nach außen, sondern in den Airbag gefördert. Dazu wird der den Airbag aufblasende Gasstrahl zu einer Gasstrahldruck­ pumpe umfunktioniert und Abgas und Absaugeluft zur Füllung des Airbags genutzt.

Der Erfindungsgegenstand ist anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei zeigen

Fig. 1 bis 3: Vom Gasgenerator betriebene Gasstrahlsaugpumpen zur Verringerung des Air­ bag-Knalls durch Luftabsaugung aus dem Wageninnenraum.

Fig. 4 und 5: Vom Gasgenerator betriebene Gasstrahldruckpumpen zur Verringerung des Air­ bag-Knalls durch Luftabsaugung aus den Wageninnenraum und Füllung des Airbags.

Fig. 6 bis 8: Vom Gasgenerator betriebene Saug- und Druckpumpen zur Luftabsaugung und Füllung des Airbags.

Fig. 9: Evakuierbares Zwischenvolumen mit Platzventil.

Zur rationellen Beschreibung wird folgende Bezeichnung vereinbart: (X = Nummer der Fi­ gur) X0 = Absaugeaggregat. X1 = Gasgenerator, Druckgas-Reservoir, Druckdampf. X2 = Saug- bzw. Pumpaggregat. X3 = Ansaugkanal. X4 = Ausblaskanal. X5 = Airbag-Sack. X6 = Klappe, Ventil. X7 = Turbinenantrieb. X8 = Volumen.

Fig. 1 zeigt eine Absaugeeinheit 10, die vor- oder gleichzeitig zum Auslösen eines Airbags aktiviert wird, um Luft zur Kompensation des Airbag-Knalls aus dem Wageninnern abzusau­ gen. Die Absaugeleitung 13 - oder mehrere - befinden sich möglichst nahe dem Airbag, z. B. eingebaut im Armaturenbrett. Vorteilhaft ist es auch, den Absaugekanal 13 durch den Airbag zu führen. Aus der Antischall-Technik, speziell der akustischen Neutralisation, ist bekannt, daß die erreichbare Pegelminderung am effektivsten ist, je geringer der Abstand zwischen volumenerzeugendem und volumenvermindernden Vorgang ist und je größer die zeitliche Synchronisation ist. Die Absaugeeinheit 10 selbst besteht aus einem Gasgenerator 11, der als Antrieb für eine Gasstrahlsaugpumpe 12 dient, der Absaugeleitung 13 und einem Abgaskanal 14, über den der Gasstrahl und die aus dem Wageninnern abgesaugte Luft nach Außen, z. B. in den Motorraum abgeführt wird. Als Schutz kann die Ansaugeleitung 13 mit einem Platz- oder elastischem Klappventil abgeschlossen sein; analog zu der in Fig. 9 beschriebenen Lösungs­ technik. Um eine gezielte, zeitliche Abstimmung zur Airbag-Zündung zu gewährleisten, sind auch aktiv ausgelöste Ventile, mit zündbaren Schmelz- oder Pyrithverschlußöffnungen mög­ lich.

In den Fig. 2 und 3 handelt es sich ebenfalls um Absaugeeinheiten 20 und 30, die angepaßt an die unterschiedlichen geometrischen Einbaubedingungen sind. In beiden Fällen treiben Gas­ generatoren 21 und 31 die Gasstrahlsaugpumpen 22 und 32 an. In Fig. 2 ist der Ansaugkanal 23 mittig durch den Gasgenerator 21 geführt. Der Abgaskanal 24 mit dem Treibgas und der abgesaugten Luft mündet wieder in den Außenraum. In Fig. 3 befindet sich die Gasstrahl­ saugpumpe 32 im Innern eines Rohres mit dem Ansaugekanal 33 am einen und dem Abgas­ kanal 34 am anderen Ende. Zur Erhöhung der Saugleistung hat die Gasstrahlsaugpumpe 32 nicht den konventionellen runden sondern einen sternförmigen Abschluß. - Die Funktionswei­ se selbst ist analog zu der nach Fig. 1.

Die Fig. 4 und 5 zeigen Ausführungsformen, bei denen Gasgeneratoren 41 und 51 jeweils die Gasstrahldruckpumpen 42 und 52 antreiben, die über die Ansaugkanäle 43 und 53 Luft aus dem Fahrgastraum abführen und bei denen das Gas/Luftgemisch über die Kanäle 44 und 54 in die Airbags 45 und 55 eingeleitet wird. Ein solches Verfahren hat den akustischen Vorteil, daß mit der Volumenvermehrung im Airbag eine synchrone Volumensenke geschaffen und so der Knallpegel reduziert wird. Ziel hierbei ist es, mit hochenergetischem Treibstoff ein mög­ lichst hohes Saugvolumen zu erreichen. Ein anderer Vorteil besteht darin, daß die Luftzumi­ schung die Gastemperatur im Airbag senkt und so Hautverbrennungen vermeidet. Mit elasti­ schen Biegeventilen 46 und 56 läßt sich die Öffnungsfläche der Kanäle 44 und 54 während und auch nach dem Aufblasen selbständig nach der geforderten Vorgabe steuern. Bei kompli­ zierteren Steuervorschriften kann auch auf das bekannte Lösungsreservoir der Fluidik- Steuerung zurückgegriffen werden. Die Fluidik hat keine beweglichen Teile, ist einfach und robust und ist mit von den Gasgeneratoren 41 und 51 angetrieben zeitgleich einsatzfähig.

Bei den Pumpaggregaten nach den Fig. 1 und 5 wurden jeweils die bekannten Gasstrahlpum­ pen verwendet. Wegen ihres einfachen, leichten und billigen Aufbaus, ihrer Wartungsfreiheit und der spontanen Einsatzbereitschaft sind diese Systeme besonders prädestiniert. In Ergän­ zung dazu sind in den Fig. 6 bis 8 weitere Pumpaggregate dargestellt. In Fig. 6 ist dies eine gasstrahlbetriebene Oszillationspumpe 60. Ein - von einem Gasgenerator betriebener - Gasstrahl 61 passiert ein elastischen Schwingventil 62, das abwechselnd den Gasstrahl 61 in den linken und rechten Kanal 64' und 64'' lenkt. Der hochfrequente, im kHz-Bereich liegende Schwingtakt kann über die Eigenresonanz des Schwingventils 62 eingestellt werden. Die Energie für den Schwingantrieb liefert der Gasstrahl und wird durch eine Strouhal- oder Co­ anda-Strömungsinstabilität selbst gesteuert. Ein solches Verfahren gibt gerade bei schnellen Gasstrahlen 61 eine vergrößerte Saugleistung im Ansaugkanal 63 und Pumpleistung im Kanal 64. Eine solche Oszillationspumpe 60 kann damit für den reinen Absaugebetrieb nach den Fig. 1 bis 3 als auch für den Absauge- und Füllbetrieb nach den Fig. 4 und 5 eingesetzt wer­ den. - Dies gilt auch für die Pumpaggregate 70 und 80 nach den Fig. 7 und 8. In Fig. 7 ist dabei ein Radial- 72 und in Fig. 8 ein Axialgebläse 82 verwendet. Diese werden wieder durch Gasgeneratoren über die koaxialen Turbinenräder 77 und 87 angetrieben. Der apparative Aufwand ist hier zwar größer, dafür lassen sich im Verhältnis zum Volumen des Gasstrahles höhere Saug- bzw. Pumpvoluminas in den Ansaugkanälen 73 und 83 bzw. in den Kanälen 74 und 84 realisieren. Außerdem sind hier Antriebsgas und Saugluft räumlich getrennt, so daß bei dem Pumpbetrieb nach den Fig. 4 und 5 die Airbags auch mit reiner Luft gefüllt werden können. Dies erweitert auch das Spektrum der möglichen Gasgeneratoren, da hier weniger stringente Forderungen an die Gasbeschaffenheit einzuhalten sind.

In Fig. 9 befindet sich ein Gasgenerator 91 mit einer Gasstrahlpumpe 92 in einem Volumen 98. Nach dem Zünden des Gasgenerators 91 wird dadurch das Volumen 98 evakuiert. Ein auf einen bestimmten Unterdruck abgestimmtes Platzventil 96 gibt die Ansaugöffnung 93 zum Fahrgastraum frei. Anstelle eines passiven Platzventils 96, kann es vorteilhafter sein, eine gesteuerte Ventilöffnung, abgestimmt auf die Airbag-Zündung zu verwenden. Mit den Schmelz- und Abbrandverschlüssen gibt es dazu einfache Lösungen. - Diese Technik kann auch bei Geschoßknall verwendet werden. Wenn eine ausreichende Aktivierzeit gegeben ist, können anstelle der Gasstrahlpumpe 92 konventionelle, z. B. elektrisch angetriebene Vakuum- Pumpen und wiederverwendbare Ventile 96 eingesetzt werden.

Akustisch vergleichbar ist auch die Situation beim Öffnen von Sicherheitsventilen bei Dampf- oder pneumatischen Anlagen. Zweckmäßigerweise wird hier zum Antrieb der Absaugeaggre­ gate X2 direkt der Druckdampf bzw. das Druckgas verwendet.

Claims (7)

1. Verfahren und Vorrichtung zur Reduzierung des Airbag-Knalls, dadurch gekennzeichnet, daß nach den Vorschriften der Antischalltechnik möglichst synchron und möglichst kollo­ kal zur Füllung des Airbag-Sackes Luft aus dem Wageninnern abgesaugt wird, wobei als Absaugeaggregat eine Gasstrahlpumpe, eine pneumatische Oszillationspumpe, Radial- oder Axialgebläse verwendet werden, die ebenfalls durch einen Gasgenerator angetrieben werden und das Abgas und die Absaugeluft in den Außenraum, auch in den Motor- und Kofferraum befördert wird. (Fig. 1-3)

2. Verfahren und Vorrichtung zur Reduzierung des Airbag-Knalls dadurch gekennzeichnet, daß der Gasstrahl eines Airbag-Gasgenerators als Gasstrahldruck- oder Oszillationspumpe wirkt, oder über ein Turbinenrad ein Radial- oder Axialgebläse antreibt, und damit Luft aus dem Wageninnern angesaugt wird und Abgas und Ansaugeluft oder auch Ansaugeluft alleine zur Füllung der Airbag-Sackes verwendet werden. (Fig. 4 + 5)

3. Verfahren und Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß das Saugaggregat zeitlich vor dem Airbag gezündet wird, so daß ein schwächeres An­ tischall-Signal den Stapedius-Reflex mit seiner Schutzfunktion aktiviert und den An­ fangsknall bei der Airbag-Füllung durch destruktive Interferenz verringert.

4. Verfahren und Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung der Absaugeluft eine ebenfalls durch den Gasgenerator betriebene Fluidik- Steuerung direkt oder über den Strömungsquerschnitt eingesetzt wird.

5. Verfahren und Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, daß zur Schaffung einer Antischall-Senke möglichst nahe an der knallerzeugenden Volumenex­ pansion und der zu schützenden Person der Absaugekanal durch den Airbag-Sack geführt wird.

6. Verfahren und Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, daß ein vom Gasgenerator betriebenes Absaugeaggregat ein abgeschlossenes Volumen evakuiert und daß durch selbsttätige Öffnung eines Platzventils oder durch gesteuerte Öffnung aus dem Wageninnern Luft abgesaugt wird. (Fig. 9)

7. Verfahren und Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 6 zur Reduktion von Geschoßlärm, dadurch gekennzeichnet, daß ein Volumen durch konventionelle, wiederverwendbare Vakuum-Pumpen evakuiert, synchron zur Freisetzung der Pulvergase geöffnet und diese durch eine kollokale Absaugeleitung akustisch neutralisiert werden. (Fig. 9)