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Technisches Umfeld
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Die Erfindung betrifft einen Drehdämpfer, insbesondere zur Dämpfung der Drehbewegung einer Gurtwelle in einem Sicherheitsgurt-Aufroller für Kraftfahrzeuge. Ziel dieser Rückhaltesysteme ist es, durch einen genau definierten Drehmomentverlauf nach einem Unfall, das Verletzungsrisiko zu minimieren. In der vorgeschlagenen Erfindung soll anstatt der derzeit häufig verwendeten Systeme, die auf Tortierung einer metallischen Welle basieren, ein mit einem Feststoff gefüllter Rotationsdämpfer verwendet werden. Durch die Verwendung von Feststoffen kann eine vorteilhafte Charakteristik erreicht werden.
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Die auf Tortierung einer Welle basierenden Lösungen haben den Nachteilig, dass die Charakteristik des Drehmomentverlaufes fest bleibt. Das unterschiedliche Körpergewicht und die Unfallschwere erfordern jedoch eine adaptive Anpassung, um das Verletzungsrisiko zu minimieren. Um eine Verbesserung zu erreichen, sind Systeme bekannt, die über entsprechende Sitzbelegungs- und Crashsensoren gesteuert werden. Diese Systeme sind allerdings sehr aufwändig und teuer. Ziel der vorgeschlagenen Lösung ist es, einen Drehdämpfer so zu konzipieren, dass sich die omentcha-Drehmrakteristik selbsttätig an Körpergewicht und Unfallschwere anpasst ohne hierfür zusätzliche Sensorik, Elektronik und Aktuatorik zu benötigen. Aus der Fluidmechanik ist bekannt, dass Dämpfer mit geschwindigkeitsabhängiger Kennlinie darstellbar sind. Nachteilig ist allerdings das niedrige Anfangsdrehmoment bei kleinen Geschwindigkeiten. In den letzten Jahren wurden deshalb Dämpfern entwickelt, die statt dessen hochviskose Medien verwendet, die im Anfangszustand Eigenschaften ähnlich wie Feststoffe besitzen.
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Aus der
DE 10 200 003 353 353 A1 ist ein Kraftbegrenzungssystem für ein her-Sicheitsgurtsystem bekannt, dass zur Anpassung an die Unfallschwere die Gurtauszugsgeschwindigkeit nutzt. Nachteilig an diesem Verfahren ist, dass die Anpassung diskontinuierlich erfolgt; dieses Verfahren kann rel. einfach angewendet werden, wenn nur zwei Kraftstufen eingestellt werden sollen. Aus der
DE 101 13 502 A1 ist ein auf fluidischer Dämpfung beruhender Drehdämpfer beschrieben. Aufgrund der im Wesentlichen scheibenförmigen Anordnung wird das Drehmoment hauptsächlich durch Reibung des Dämpfungsmediums während der relativen Verdrehung Rotor gegenüber Gehäuse erzeugt. In der
DE 10 2008 024 623 wird ein Rotationsdämpfer vorgeschlagen, in dem der Arbeitsraum zumindest teilweise mit anfangs feststoffartigen Medium gefüllt ist. Aufgrund der scheinbar sehr hohen Anfangsviskosität wir bei Drehung des Rotors ein hohes Anfangsmoment erzeugt; die Charakteristik des Dämpfmomentes über dem Drehwinkel wird hauptsächlich durch das Medium und die Geometrie der Rotorelemente beeinflußt. Mitunter wird aber eine noch stärkere Beeinflussung über dem Drehwinkel (der dem Gurtauszug proportional ist) gewünscht.
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Offenbarung der Erfindung
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Technisches Problem
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Drehdämpfer nach der Gattung der in der
DE 10 2008 024 623 beschriebenen Art zu schaffen, dessen Drehmomentverlauf über dem Drehwinkel noch stärker beeinflußt werden kann
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Technische Lösung
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Wie bereits dargestellt, zeigen mit Fluid gefüllte Rotationsdämpfer eine ausgeprägte Geschwindigkeitsabhängigkeit. Unmittelbar nach einem Rückhaltefall, wenn also der Insasse nach einem schweren Unfall in den Gurt fällt, ist die angsge-Anfschwindigkeit des Gurtbandes 0; bzw. dreht sich die Gurtrolle nicht. Der Feststoff geht mit den umgebenden Bauteilen vorteilhaft bereits bei der Herstellung, bzw. kurz nach der Füllung eine adhäsive Verbindung ein und weist eine hohe Plastizität auf. Der sich im Gehäuse befindliche Rotor ist damit im Ausgangszustand quasi fest mit dem Gehäuse verbunden. Nach einer definierten Drehung wird der Feststoff vom Rotor zerstört; im Arbeitsraum bilden sich Einzelpartikel aus. Je nach Ausführung des Rotors ist der Winkel bis zur vollständigen Zerstörung des Feststoffes einstellbar. Bei der weiteren Verdrehung wird das Dämpfmoment durch die Partikelreibung am Rotor erzeugt. Um die Drehmomentkennlinie noch stärker beeinflussen zu können, wird vorgeschlagen, den Rotor mechanisch durch Zerstörung von Rotorelementen nach einer definierten Drehung zu verändern.
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Kurze Beschreibung von Zeichnungen
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1 Schnittansicht eines Rotationsdämpfers im Ausgangszustand
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2 Detailansicht Querschnitt zerstörbares Element
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3 Ansicht Rotor mit 2 Elementen
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4 Kennlinie Drehmoment über Drehwinkel
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5 Rotationsdämpfer Variante
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Die beste Art und Weise, die Erfindung auszunutzen
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In 1 ist eine erfindungsgemäße Ausführungsform dargestellt. Der Rotationsdämpfer 1 besteht aus einer Welle 2 mit einer Drehverbindung 3, über die das Drehmoment nach einem Rückhaltefall von der Gurtaufrolleinheit eingeleitet wird (nicht gezeichnet). Das eingeleitete Drehmoment ist mit dem Pfeil M1 dargestellt. Die Welle 2 ist in dem Gehäuse 4 drehbar gelagert. Der Arbeitsraum 5 ist mit einem tstoff 8 gefüllt. Zur einfachen Herstellung eignen sich Materialien, die gießbar sind und dann erstarren. Insbesondere Harze, Polymere, Silikone und dergl. zeigen ein solches Verhalten und weisen darüber hinaus eine hohe Plastizität auf. Die Welle 2 hat an dem sich im Arbeitsraum befindlichen Ende eine Nabe 6. In der Nabe 6 ist mindest ein sich radial in den Arbeitsraum erstreckendes Element 7 (7.1, 7.2) angebracht. In der dargestellten Ausführung werden zylindrische Stifte verwendet, da diese einfach herzustellen sind. Prinzipiell können die Elemente 7 beliebig geformt sein. Das Gehäuse 4 ist durch die Gurtaufrolleinheit in allen Freiheitsgraden fixiert (nicht dargestellt). Die Plastizität des den Arbeitsraum 5 füllenden Feststoffes 8 ist wesentlich größer, als die für das Gehäuse 4, die Welle 2, die Nabe 6 und das mindest eine Element 7.1 oder 7.2 verwendeten Werkstoffe. Zumindest ein Element 7.1 hat unmittelbar nach dem Austritt aus aus der Nabe 6 eine starke Querschnittsreduzierung 10 (2). Die Querschnittsreduzierung wird so ausgeführt, dass das Widerstandsmoment des Elementes 7.1 in Drehrichung wesentlich höher ist als in Richtung der Drehachse der Welle 2 (L > B). In dem dargetellten Beispiel in 1/3 werden je ein Element 7.1 und 7.2 verwendet. Das Element 7.1 hat im Bereich des Elementaustritts aus der Nabe 6 den Querschnitt L × B; die Querschnittsreduzierung 10 wird radial um das Maß T fortgeführt. Im Gehäuse 4 befindet sich unter dem Winkel beta eine mechanische Erhöhung 11 (in 1 verdreht dargestellt eingezeichnet), die vorzugsweise eine kegelige Anformung aufweist. Die mechanische Erhöhung 11 hat zur Befestigung im Gehäuse 4 am einfachsten einen zylindrischen Schaft 12, der in einer Bohrung 13 im Gehäuse 4 ortsfest befestigt wird.
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Überschreitet nach einem Rückhaltefall die Gurtauszugskraft eine Kraftschwelle, wird ein Drehmoment M1 in die Drehverbindung 3 eingeleitet und versetzt die Welle 2 in eine Drehbewegung um dessen Mittelachse. Aufgrund des komplett mit dem Feststoff 8 gefüllten Arbeitsraumes 5 wird der Feststoff 8 plastisch verformt. Dadurch steigt das Gegenmoment sehr schnell an. Wird die Plastizitätsgrenze des Feststoffes 8 überschritten, zerfällt dieser in einzelne Partikel. Aufgrund des vorgegebenen Arbeitsraumes liegen die Partikel fest aneinander.
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In 2 ist eine Nabe 6 mit 2 Elementen 7.1 und 7.2 dargestellt. Wird die Welle 2 gedreht, wird im Bereich der Stirnfläche der Nabe 6 der Feststoff die Plastizitätsgrenze schnell erreichen und über die gesamte Fläche zerstört; während im Bereich der Elemente 7.1 und 7.2 erst nach ca. einer halben Umdrehung der Feststoff komplett zerstört wird. Nach einer Drehung der Welle 2 um beta, kollidiert das Element 7.1 mit der mechanischen Erhöhung 11; die Abmessung H der mechanischen Erhöhung ist größer als der Abstand X1 des Elementes zum Gehäuse 4. Durch das geringe er-Widstandsmoment im Querschnitt 10 des Elementes 7.1 in Belastungsrichtung (in Achsrichtung der Welle 2), wird das Element 7.1 von der Nabe 6 getrennt. Dadurch verringert sich das Drehmoment M1 bei einer weiteren Drehung der Welle 2. In dem in 1 dargestellten Beispiel sind die Elemente 7.1 und 7.2 auf der Nabe 6 in ung der Achse der Welle 2 versetzt angeordnet; der Abstand X2 des Elementes 7.2 ist größer als die Abmessung h der Erhöhung 11. Auch bei einer mehrmaligen Umdrehung der Welle 2 kollidiert das Element 7.2 nicht mit der mechansichen Erhöhung 11; das Drehmoment bleibt in etwa auf dem Niveau wie nach der Zerstörung des Elementes 7.1.
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In 4 ist ein Diagramm dargestellt, aus dem der Drehmomentverlauf für eine in 1, bzw. 3 dargestellte Nabe 6 mit zwei Elementen 7.1 und 7.2 hervorgeht. Im Drehwinkelbereich alpha1 wird der Feststoff 8 plastisch verformt, bis die Plastizitätsgrenze überschritten ist. Das Drehmoment ist im Wesentlichen proportional zur Elastizität des Feststoffes 8. Im Bereich alpha2 – bei zwei Elementen ist alpha2 ca. 180° abzüglich des Durchmessers der Elemente 7.2 – wird im Bereich der Elemente 7.1 und 7.2 Feststoff zerstört; im Bereich R der Nabe 6 zum Gehäuse 4 tritt Partikelreibung auf und erzeugt dadurch ein Gegenmoment. Das Gegenmoment zur Zerstörung der Struktur des Feststoffes 8 ist größer als das aus der Reibung an Partikeln entstehende Reibmoment. Das Drehmoment aus der Partikelreibung nimmt mit dem Drehwinkel ab, da je nach Spaltgeometrie die Partikel weiter verändert werden. Im Drehwinkelbereich alpha2 ergibt sich deshalb ein abfallendes Drehmoment. In dem dargestellten Beispiel ist der Winkel beta < als alpha2; durch Zerstörung des Elementes 7.1 sinkt das Drehmoment zusätzlich weiter ab. Die Anzahl der Elemente analog 7.1 kann verändert werden, ebenso die Anzahl der nach Elemente wie nach 7.2 dargestellt. Dadurch kann die Drehmomentkennlinie über dem Drehwinkel angepasst werden.
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In 5 wird eine weitere Ausgestaltung dargestellt. Der Rotor 9' ist analog zu dem vorher beschriebenen Rotor 9 aufgebaut, allerdings erfolgt die Einleitung des Drehmomentes M1 über die am Rotor 9' befindliche Drehverbindung 3'. Der Rotor 9' ist im Gehäuse 4' drehbar gelagert. Der Rotor 9' hat der gegenüberliegenden Seite der Drehverbindung 3' eine Ausnehmung 14. In diese Ausnehmung 14 ragt ein Teil des Kolben 15; der in die Ausnehmung 14 ragende Kolben bildet eine Drehmitnahme zum Rotor', ist aber längs der Drehachse verschiebbar angeordnet. Die Drehmitnahme kann z. B. ein Sechskant, ein Vielzahn oder dergleichen sein. Der Kolben 15 steht mit dem Gewinde 16 am Kolben 15 bzw. im Gehäuse 4' in Wirkverbindung. am Kolben 15 befindet sich ein runder Stab 17, der sich aber im Querschnitt ändern kann und ragt in die Bohrung 18 des Gehäuses 4'. Die Kammer 19 ist ebenfalls mit dem Feststoff 8 gefüllt.
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Überschreitet nach einem Rückhaltefall die Gurtauszugskraft ein Kraftschwelle, ist der Ablauf identisch zu der in der vorherigen beschriebenen Ausführung. Zusätzlich wird jedoch der Kolben 15 in Drehung versetzt, durch die Gewindeverbindung 16 wird der Kolben 15, bzw. der Stab längs der Drehachse weiter durch die Bohrung 18 verschoben. Der sich in der Kammer 19 befindliche Feststoff 8 wird durch den Spalt zwischen dem Stab 17 und der Bohrung 18 gepresst. Dadurch erhöht sich der Druck in der Kammer 19 und erzeugt ein zusätzliches Drehmoment, dass über die Ausnehmung 14 auf den Rotor 9' eingeleitet wird. Ändert sich der Querschnitt des Stabes 17 längs der Drehachse verändert sich auch der mit der Bohrung 18 entstehende Spalt. Dadurch ergibt sich eine weitere Möglichkeit, den Drehmomentverlauf wie in 4 dargestellt, auf die Anforderungen anzupassen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Rotationsdämpfer
- 2
- Welle
- 3, 3'
- Drehverbindung
- 4, 4'
- Gehäuse
- 5
- Arbeitsraum
- 6, 6'
- Nabe
- 7
- Elemente 7, bestehend aus 7.1, 7.2
- 8, 8'
- Feststoff
- 9, 9'
- Rotor, bestehend aus 2, 3, 3', 6, 6', 7.1, 7.2
- 10
- Querschnittsreduzierung
- 11
- Mechanische Erhöhung
- 12
- Zylinder an mechanischer Erhöhung
- 13
- Bohrung in Gehäusewand
- 14
- Ausnehmung
- 15
- Kolben
- 16
- Gewinde
- 17
- Stab
- 18
- Ausströmbohrung im Gehäuse 4'
- 19
- Kammer
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10200003353353 A1 [0003]
- DE 10113502 A1 [0003]
- DE 102008024623 [0003, 0004]
