DE2244949C2

DE2244949C2 - Sicherheits-Skibindung mit einer elektronischen Schaltung

Info

Publication number: DE2244949C2
Application number: DE2244949A
Authority: DE
Inventors: Heinz 8000 München Korger; Hannes 8100 Garmisch-Partenkirchen Marker; Hans-Joachim 7500 Karlsruhe Steinmetz
Original assignee: Individual
Current assignee: Marker International Co
Priority date: 1972-09-13
Filing date: 1972-09-13
Publication date: 1982-07-01
Also published as: US3940156A; US3907316A; DE2340861A1; CH585563A5; AT330036B; US3950003A; DE2328924C2; DE2328924A1; DE2244949A1; CA1016207A; GB1433162A; FR2198762B1; FR2198762A1; ATA884672A; AU6031373A

Description

oder der Impuls, Die erfindungsgemäße Sicherheits-Skibindung löst also aus, wenn hohe Kräfte kurzzeitig oder geringere, aber immer noch gefährliche Kräfte langfristiger auf das Bein des Skiläufers einwirken. Kurzzeitige Spitzenkräfte werden von der erfindungsgemäßen Sicherheits-Skibindung genauso aufgenommen wie über eine ungefährliche Zeitspanne einwirkende geringere Kräfte. Wirken jedoch geringere Kräfte über einen längeren Zeitraum ein, so erfolgt eine Auslösung schon auf einem niedrigeren Niveau. Die Auslösung erfolgt immer dann, wenn das beim Auftreten von Belastungen ermittelte Integral der Kraft über die Zeit den vorgegebenen Schwellenwert übersteigt Das Integrationsglied kann aus einem Tiefpaß oder einem Integrierverstärker bestehen, wobei dessen Kondensator in einer seiner Zeitkonstante entsprechenden Zeit wieder entladen wird. Das Zeitintegral wird also entsprechend einer vorgegebenen Zeitkonstante ständig gegen Null zurückgeführt, so daß für das Bein zulässige Kräfte, die im Bereich der für den Skilauf notwendigen Haltekräfte liegen, durch die Integration nicht bis zu dem Schwellenwert aufsummiert werden können, was Fehlauslösungen zur Folge hätte.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung einer Sicherheits-Skibindung mit einem Skischuhhalteglied, einer das Skischuhhalteglied festlegenden Verriegelungseinrichtung, einer infolge eines elektrischen Auslösesignals die Verriegelungseinrichtung entriegelnden Einrichtung und einer dieses Signal bei Auftreten von für das Bein unzulässigen Kräften erzeugenden Schaltung ist vorgesehen, daß die Schaltung einen die auf das Bein wirkenden Kräfte ständig messenden Kraftaufnehmer enthält, der den Kräften entsprechende analoge elektrische Signale erzeugt, die zur Bildung eines dein Zeitintegral entsprechenden elektrischen Wertes den Kondensator eines Tiefpaßfilters aufladen, und daß eine Schwellenwertschaltung vorgesehen ist, die bei Aufladung des Kondensators des Tiefpaßfilters über den Schwellenwert das elektrische Auslösesignal erzeugt In der Schaltung bewirkt der Tiefpaßfilter eine näherungsweise elektrische Integration der den gemessenen Kräften analogen elektrischen Signale, wobei der Kondensator des Tiefpaßfilters entsprechend seiner Zeitkonstante ständig entladen wird.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 3 bis 10 beschrieben worden.

Ein Alisführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigt

F i g. 1 die Sicherheits-Skibindung mit einer elektronischen Schaltung schematisch in Seitenansicht,

F i g. 2 eine schematische Draufsicht auf die Sohlenplatte und die Grundplatte der Sicherheits-Skibindung nach F i g. 1, wobei auf die Darstellung der eigentlichen Skischuhhalteglieder und der Verriegelungseinrichtung verzichtet ist, und

F i g. 3 ein Schema der elektronischen Schaltung.

Die in F i g. 1 schematisch dargestellte Sicherheits-Skibindung besitzt eine Sohlenplatte 1, auf der ein Skischuh 2 in beliebiger geeigneter Weise nur willkürlich lösbar gehalten ist. Ein vorderer Sohlenhalter 3 ist in nicht weiter dargestellter Weise zur Anpassung an verschiedene Schuhsohlenlängen und -stärken sowohl höhen- als auch längsverstellbar an der Sohlenplatte gehalten. Ein hinterer Sohlenhalter 4 ist um eine horizontale Querachse 5 schwenkbar gelagert und fest mit einem Einsteigpedal 6 verbunden. Durch einen Schwenkriegel 7 wird der Sohlenhalter 4 normalerweise in der dargestellten Verriegelungsstellung gehalten. Der Schwenkriegel 7 ist federbelastet und läßt sich z, B. mittels einer Skistockspitze entgegen Federkraft im Bezug auf F i g. 1 nach rechts schwenken, so daß der Sohlenhalter 4 freigegeben wird und der Skischuh 2 von der Sohlenplatte t abgehoben werden kann. Beim Einführen eines Skischuhs in die Bindung trifft das hintere Sohlenende auf das Einsteigepedal 6 und schwenkt den hinteren Sohlenhalter 4 in seine

ίο Verriegelungsstellung. Dabei schnappt der Schwenkriegel 7 automatisch ein. Der Skischuh 2 ist dann quasi starr auf der Sohlenplatte 1 gehalten und wie schon gesagt von dieser nur willkürlich lösbar.
An den hinteren Sohlenhalter 4 schließt sich die in ihrer Gesamtheit mit 50 bezeichnete Kraftaufnehmerelektronik an, die anhand der F i g. 3 noch ausführlich beschrieben wird.

Die Sohlenplatte 1 ist unter Zwischenschaltung einer zusammen mit ihr vom Ski 10 lösbaren Grundplatte 11 auf dem Ski gehalten. An ihrem vorderen Ende besitzt die Sohlenplatte eine Tasche 12, ir die zwei Schwingarme 13 der Grundplatte 11 eingreife::. Die Schwinganne sind so konstruiert daß sie Zug- und Druckkräfte senkrecht zur Skiebene mit geringen Verformungen aufnehmen, Kräfte horizontal zur Skiebene jedoch mit relativ großen Verformungen. Im Bereich etwa des hinteren Skischuhendes besteht eine Verbindung zwischen der Sohlenplatte 1 und der Grundplatte 11 über zwei Puffer 14. Diese Puffer sind den Schwingai men entsprechend so dimensioniert daß auch sie Zug- und Druckkräfte senkrecht zur Skiebene mit geringen Verformungen aufnehmen und Kräfte horizontal zur Skiebene mit relativ großen Verformungen. Die Sohlenplatte 1 übergreift die Grundplatte 12 wenigstens an den beiden Längsseiten. Etwa in Verlängerung der Beinachse ist das Drehzentrum zwischen den beiden Platten dadurch gebildet, daß die Grundplatte 11 zwei seitliche Nocken 15 besitzt (siehe F i g. 2), die in punktförmiger Berührung mit den nach unter gezogenen Längsseitenwänden der Sohlenplatte 1 stehen.

Hierdurch werden die beim Fahrbetrieb auftretenden Querkräfte, die nicht zur Verdrehung des Beins führen, aufgenommen.

An ihrem hinteren Ende trägt die Grundplatte 11 einen Kraftaufnehmer 5V der Kraftauf nehmerelektronik. Dieser Kraftaufnehmer ist im vorliegenden Fall ein kapazitiver Geber. Der Geber steht in Wirkverbindung mit dem hinteren Ende der Sohlenplatte 1, derart, 'daß die die Sohlenplatte belastenden Torsionskräfte vom Geber aufgenommen und gemessen werden. Durch die erwähnte Dimensionierung der Schwingarme 13 und der Puffer 14 sind Störgrößen bei der Torsionsmessung praktisch vermieden. Die etwa vertikal nach oben geachteten, am Sohlenhalter 4 angreifenden Kräfte, die bei Frontalbelastung auftreten, werden von der Sohlenplatte 1 zn einen weiteren Kraftii'fnehmer 51" übertragen, der ebenfalls ein kapazitiver Geber ist Dieser Geber ist auch fest mit der Grundplatte 11 verbunden. Das vordere Ende der Grundplatte 11 ist durch einen s..ifesten Beschlag 16 lösbar auf der Skioberfläche gehalten. Mit ihrem hinteren Ende ist die Grundplatte durch eine in ihrer Gesamtheit mit 20 bezeichnete Verriegelungseinrichtung, üie im Gefahrenfall unwillkürlich entriegelbar ist, auf der Skioberfläche gehalten.

Die Verriegelungseinrichtung 20 umfaßt im vorliegenden Fall einen Kniehebel, der jedoch nicht weiter beschrieben wird.

Die Kraftaufnehmerelektronik gemäß Fig.3 besteht aus den folgenden Gruppen: Kraftaufnehmer 51, Übertragungsleitung 52, Impedanzwandlerstufe 53, Trägerfrequenzoszillator 54, Gleichrichterstufe 55, arithmetische Mittelwertbildung 56 und Schwellenwertschaltung 57. Die Funktion der Kraftaufnehmerelektronik ist folgende:

Der Blindwiderstand des kapazitiven Kraftaufnehmers 51 ist proportional dem Plattenabstand des Gebers, d. h. die Spannung über dem Kondensator Cm ist bei eingeprägtem Strom dem Abstand der Geberplatten und damit der Kraft proportional. Die Einprägung des Stroms wird dadurch erreicht, daß über dem Kondensator C_x eine Festspannung LV den Strom bestimmt. Die Ausgangsspannung Ua ist dabei in ihrer Frequenz und Amplitude nahezu gleich der Spannung über Cw. Die Ausgangsspannung U_A wird galvanisch entkoppelt über den Kondensator C°, an den Gleichrichter angelegt. In einer Gleichrichtstufe wird die Wechselspannung Ua. mit Hilfe eines Einweggleichrichters gleichgerichtet.

Über einen integrierenden Verstärker mit einstellbarer Zeitkonstante wird eine arithmetische Mittelwertbildung vorgenommen. Dieser arithmetische Mittelwert ist die Größe, die den Kraft- und Energieverlauf im statischen und dynamischen Zustand am besten beschreibt, und wird deshalb zur Auslösung verwendet.

Hinter der Stufe 56. die den arithmetischen Mittelwert bildet, ist ein Schwellenwertschalter 57 angebracht, dessen Vergleichspotential im selben Maße mit der Betriebsspannung schwankt wie der Gleichspannungsanteil der Meßgröße, d. h. Betriebs<pannungsschwankungen werden dadurch direkt kompensiert. Das Ausgangssignal des Schwellenwertschalters 57 wird in Anwendung bei der beschriebenen Vorrichtung direkt zur Auslösung verwendet. Grundsätzlich ist es aber auch möglich, das Ausgangssignal zu ordern.

Der Impedanzwandler 53 wird durch den Transistor Q_x gebildet, an dem durch die Widerstände R_x. R₁ und den Kondensator C₂ eine automatische Arbeitspunkteinstellung vorgenommen wird.

Um eine Spannungsverstärkung an (?, möglichst nahe bei 1 : 1 zu erreichen, wird über den Transistor Qi der Durchgriff von Q- verringert, wobei der Arbeitspunkt von Q₂ durch die Widerstände /?sund Rx eingestellt wird.

Über C; wird das Ausgangssignal von Q_x auf die Stufe Q₂ zurückgekoppelt.

Durch Verwendung der Spule L_x. die mit dem Kondensator G in Resonanz auf die Trägerfrequenz eingestellt wird, wird die Aussteuerbarkeit der Impedanzwandlerstufe vergrößert (Amplitude ±6 V bei Ub =9 V).

Die Trägerfrequenz wird über den Transformator Tr-, und den Kondensator Ci in die Impedanzwandlerstufe 53 eingekoppelt. Der Trägerfrequenzoszillator 54 wird durch die komplementären C-MOS-Transistorpaare Qi Qt; Q Qt gebildet, wobei die Primärseite des Transformators Tr_x gemeinsam mit dem Kondensator d den Resonanzkreis für die gewünschte Trägerfrequenz bildet (ca. 5 KHz). Die Kondensatoren Ci und C% dienen zur galvanischen Entkopplung das Oszillatorschalters Qi Qt. Qs Qb- Der Widerstand R_2x sorgt für ein einwandfreies Anschwingen des Oszillators. Die Widerstände Rn und Rn dienen zur Strombegrenzung und bewirken eine geringere Stromaufnahme des Oszillators. Die Widerstände R₂t und R₂S dienen zur Aussie-

Die Gleichrichtstufe 55 wird durch den Operations-

1 _i

Uüüg U

verstärker V_x gebildet, dessen Stromaufnahme durch den Widerstand R\t bestimmt wird. Die Gleichrichtung findet an den Dioden D_x und D₂ statt, wobei die Widerstände Ri und /?» die Rückkopplungswiderstände für den Verstärker V_x darstellen. Über den Widerstand Rt wird eine Nullpunktverschiebung dergestalt vorgenommen, daß bei einer Kraft »Null« über dem Meßkondensator Cm der Eingangsstrom der Gleichrichtstufe zu Null wird. Über den Widerstand A₅ fließt ein der gemessenen Kraft entsprechender Strom an die Gleichrichtstufe, wobei eine galvanische Entkopplung über den Kondensator C, erfolgt.

Das Ausgangssignal der Gleichrichtstufe wird über den Widerstand R* an die arithmetische Mittelwertbildungsstufe 56 gegeben. Der Kondensator G, und der Widerstand R₁₀ bilden die Rückkopplung des Operationsverstärkers V₂. dessen Stromaufnahme mit dem Widerstand Rm eingestellt wird, wobei die Zeitkonstante des Mittelwertbilders über den Kondensator Q, und

pn den Widerstand Am in ^weiten Grenzen einstellbar ist.

Der Arbeitspunkt der Verstärker V_x und V₂ sowie der Schaltpunkt des Verstärkers Vj des Schwellenwertschalters 57 werden über den Spannungsteiler R_x). R_x,,

2=. /?i5 batteriespannungsunabhängig gemeinsam eingestellt. Der Widerstand R_X2 dient als Rückkopplungswiderstand des Schwellenwertschalters, wobei dieser Widerstand gemeinsam mit dem Widerstand R_1x die Hysterpse des Schwellenwertschalters bestimmt. Der

jn Stromverbrauch des Verstärkers Vj wird über den Widerstand R\» eingestellt.

Nach einer Sicherheitsauslösung kann der Skiläufer mit der am Skischuh befestigten Grundplatte wieder auf den Ski treten. Dabei wird das vordere Ende der Grundplatte unter den Beschlag 16 (F i g. 1) geführt und die Rastnase am hinteren Ende der Grundplatte mit dem Schwenkglied verrastet.

Während des Skilaufens werden die das Bein des Skiläufers auf Torsion und im Sinne eines Frontalsturzes belastenden Kräfte ständig und praktisch weglos gemessen, da die sehr geringen notwendigen Meßwege für die Kraftaufnehmer 51', 51" geringer sind als die elastischen Materialverformungen der Platten 1 und 11 und des Skischuhs 2. Es werden also die auf das Bein des Skiläufers einwirkenden Impulse ständig erfaßt. Diese Impulse werden wie im Zusammenhang mit der Beschreibung der Kraftaufnehmerelektronik ausgeführt ist. ständig mit einer vorgegebenen, einen Schwellenwert bildenden Impulsgröße verglichen. Bei Erreichen dieses Schwellenwertes erfolgt vom Schwellenwertschalter 57 die Abgabe eines Impulses als Steuerbefehl zur Entriegelung.

Störgrößen, insbesondere in Form von Reibung, werden durch die quasi weglose Messung vermieden.

Hierdurch ergibt sich die Möglichkeit, die zulässige Impulsgröße heraufzusetzen, da die bisher für das Bein des Skiläufers zulässigen Beanspruchungen unter Berücksichtigung ungünstiger Reibungsverhältnisse der herkömmlichen Bindungssysteme festgelegt sind. Ein

öo weiterer Vortei! des neuen Bindungssystems besteht darin, daß bei Erhöhung der zulässigen Impulsgröße keine individuelle Einstellung der Auslösekräfte mehr notwendig ist Die soeben beschriebene erfindungsgemäße Vorrichtung ist einfach und robust Außerdem ist sie noch weitgehend temperatur-, verschmutzungs- und vereisungsunempfindlich.

Weiter ist es auch möglich, die Skischuhsohle als Gehäuse für die erfindungsgemäße Vorrichtung zu

benutzen, wobei dann lediglich ein oder zwei einfache Skischuhhalteglieder auf dem Ski vorzusehen sind.

Zu erwähnen ist noch, daß die Energieversorgung der Kraftaufnehmerelektronik mittels handelsüblicher Batterien geschieht.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche;

1. Sicherheits-Skibindung mit einer elektronischen Schaltung, die die auf das Bein des Skiläufers einwirkenden Kräfte durch einen Meßwandler erfaßt und bei Erreichen eines vorgegebenen Schwellenwertes die Verbindung zwischen Ski und Skischuh löst, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwellenwert durch das Produkt aus Kraft χ Zeit vorgegeben ist und mit diesem kontinuierlich das Zeitintegral mindestens einer auf das Bein wirkenden Kraft verglichen wird, wobei das Zeitintegra! entsprechend einer eingestellten Zeitkonstante des Integrationsglieds (56) ständig gegen Null zurückgeführt wird.

2. Sicherheits-Skibindung nach Anspruch 1 mit einem Skischuhhalteglied, einer das Skischuhhalteglied festlegenden Verriegelungseinrichtung, einer infolge eines elektrischen Auslösesignals die Verriegelungseinrichtung entriegelnden Einrichtung und einer dieses Signal bei Auftreten von für das Bein unzulässigen Kräften erzeugenden Schaltung, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung einen die auf das Bein wirkenden Kräfte ständig messenden Kraftaufnehmer (51) enthält, der den Kräften entsprechende analoge elektrische Signale erzeugt, die zur Bildung eines dem Znitintegral entsprechenden elektrischen Wertes den Kondensator (Q) eines Tiefpaßfilters (Q, Äio) aufladen, und daß eine Schwellenwertschaltung (57) vorgesehen ist, die bei Aufladung des Kondensators (Ck) des Tiefpaßfilters (Ce, Rio) über den Schwellenwert das elektrische Auslösesignal erzeugt

3. Sicherheits-Skibindung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß riie Zeitkonstante des Tiefpaßfilters (Q, Rw) einstellbar ist

4. Sicherheits-Skibindung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwelle der Schwellenwertschaltung (57) über Widerstände (Rn, Äi4, Rts) einstellbar ist.

5. Sicherheits-Skibindung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Kraftaufnehmer (51) ein kapazitiver oder induktiver Geber dient.

6. Sicherheits-Skibindung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Kraftaufnehmer (51) ein Piezoelement vorgesehen ist.

7. Sicherheits-Skibindung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Kraftaufnehmer (51) ein Kohledruckkörper dient.

8. Sicherheits-Skibindung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Kraftaufnehmer (51) eine magneto-elastische Kraftmeßdose vorgesehen ist.

9. Sicherheits-Skibindung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß je ein Kraftaufnehmer (51) für Torsions- und Biegebelastungen vorgesehen ist und daß jedem Kraftaufnehmer (51) getrennte, die elektrischen Auslösesignale erzeugende Schaltungen zugeordnet sind.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung zwischen dem Kraftaufnehmer (51) und dem Schwellenwertschalter (57) eine Impedanzwandlerstufe (53), einen Trägerfrequenzoszillator (54) und eine Gleichrichterstufe (55) aufweist

Die Erfindung betrifft eine Sicherheits-Skibindung mit einer elektronischen Schaltung nach dem Gattungsbegriff des Patentanspruchs 1.

Zur im Gefahrenfall unwillkürlichen Freigabe eines auf einem Ski gehaltenen Skischuhs vom Ski fanden bisher Sicherheits-Skibindungen Verwendung, bei denen beim Angreifen einer einen bestimmten, gegebenenfalls einstellbaren Widerstand übersteigenden Kraft ein Skischuhhalteglied aus seiner Verriegelungsstellung in seine Freigabestellung tritt und so den Skischuh freigibt

Das Bestreben des modernen Skibindungsbaus geht dahin, stoßunempfindliche Bindungen zu schaffen, also solche, die bei kurzzeitig wirkenden, das Bein des Skiläufers nicht gefährdenden Stößen nicht auslösen, um unnötige Stürze zu vermeiden, jedoch bei gefährlichen, länger einwirkenden Kräften das Bein des Skiläufers freigeben.

Bei den bekannten, sogenannten langhubigen Skibindüngen wird eine gewisse Stoßunempfindlichkeit dadurch erreicht, daß der das zulässige Maß für die Beanspruchung des Beins darstellende Schwellenwert die sich aus den auf den Ski wirkenden Stößen oder Kräften ergebende Energie ist, die sich aus dem Produkt der das Auslöseglied beaufschlagenden Federkraft und des von dem Auslöseglied bis zum Auslösepunkt zurückgelegten Weges ergibt.

Bei einer aus der DE-OS 2139 557 bekannten Sicherheits-Skibindung der eingangs angegebenen Art werden nur die auf das Bein des Skiläufers wirkenden wechselnden Beschleunigungen gemessen und als Auslösekriterium mit dem Schwellenwert verglichen. Eine nach diesem bekannten Verfahren arbeitende Skibindung vermag jedoch typische Verletzungen des Skiläufers nicht zu verhindern. Stürzt nämlich ein Skiläufer aus dem Stand oder mit niedriger Fahrgeschwindigkeit, so treten zwar geringe Beschleunigungsänderungen, also eine nur langsame Zunahme der Kraft über die Zeit, auf, es wirken aber gefährlich hohe Kräfte langzeitig auf das Bein des Skiläufers ein, so daß Beinbrüche oder Verletzungen die notwendige Folge sind.

Bei einer aus der DE-OS 15 78 974 bekannten Sicherheits-Skibindung der eingangs angegebenen Art erfolgt die Auslösung der Bindung nach einer bestimmten Einwirkungszeit der Auslösekraft, wobei dieser Einwirkungszeitraum konstant und daher von der Höhe der einwirkenden Kräfte unabhängig ist. Treten nun während die,«er konstanten Einwirkungszeit stoßartige Beanspruchungen des Beins von gefährlicher Größe auf, so kann es zu Verletzungen des Skiläufers kommen, ohne daß eine rechtzeige Auslösung erfolgt.

Auch aus der DE-OS 15 78 949 ist eine Sicherheits-Skibindung bekannt, bei der der Ausrastzeitpunkt von der Dauer der Einwirkung der Ausrastkraft abhängig ist.

Auch diese vermag bei nur kurzfristig einwirkenden unablässig hohen Kräften nicht rechtzeitig zu einer Auslösung zu führen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Sicherheits-Skibindung zu schaffen, die das Bein des Skiläufers dann freigibt, wenn die dieses gefährdenden Kräfte eine unschädliche Einwirkungszeit überschreiten.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Bei der erfindungsgemäßen Sicherheits-Skibindung ist das Auslösekriterium die Bewegungsgröße, also das Integral der Kraft über die Zeit