DE2460572A1 - Vorrichtung zum spannen und nachgebend daempfen, insbesondere fuer sicherheitsgurte - Google Patents

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Patentanwälte

Dlpl.-Ing. R. B E ETZ sen. Dipl.-Ing. K. LAMPRECHT Dr.-Ing. R. BEETZ Jr.

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550-23.564p(23.565H)

20. 12. 1974

SOCIETE NATIONALE DES POUDRES ET EXPLOSIFS, Paris (Frankreich)"

Vorrichtung zum Spannen.und nachgebend Dämpfen, insbesondere für Sicherheitsgurte

Die Erfindung bezieht sich auf eine mechanische, linear arbeitende Vorrichtung zum Spannen und nachgebend Dämpfen, insbesondere verwendbar als Schutzvorrichtung an Sicherheitsgurten, mit einem äußeren Gehäuse, in dem sich zumindest ein Kolben bewegt, der fest mit einer axialen Übertragungsstange verbunden ist, die in einer Verbindungsöse endet, und in dem Vorrichtungen angeordnet sind, die das Freigeben von hochgespanntem Gas in einen Expansions raum gestatten, der in der Aus-

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gangsstellung auf das Volumen zwischen der Basis des zentralen Kolbenkopfes und dem vorderen Boden der Vorrichtung begrenzt ist, und in dem die schnell expandierenden Gase eine Verschiebung des Kolbens bewirken, der eine Zugkraft auf die Stange und die Verbindungsöse ausübt. ■-.-..

Es sind bereits zahlreiche Schutzvorrichtungen bekannt, die die Sicherheit der Personen in schnellen Fahrzeugen gewährleisten sollen, und ein wirksamer Schutz wird durch Systeme erhalten, die aufblasbare Kissen verwenden, die durch eine sehr schnelle Zufuhr von Gas unter hohem Druck aufgebläht werden. Das nachgebende Dämpfen der Bewegung der zu schützenden Person erfolgt dadurch, daß man die Gase in den Fahrgastraum des Fahrzeuges ausbläst; das sich durch den Druck der betreffenden Person verformende Kissen bietet so eine große Berührungsfläche, wodurch jede örtliche Konzentration der Kraft auf den Oberkörper der zu schützenden Person vermieden wird. Der durch einen einfachen Sicherheitsgurt gewährte Schutz ist sehr wenig wirksam, denn die durch ihre eigene Trägheit nach vorn geschleuderte Person wird nur durch zwei fest am Fahrzeugchassis befestigte Gurte zurückgehalten, was nur eine begrenzte Berührungsfläche mit dem Körper ergibt und die betreffende Person einem sehr hohen Druck aussetzt, weil eine nachgiebige Dämpfung fehlt. Gewisse Sicherheitsgurte sind mit Vorrichtungen versehen, die eine geringe absatzweise Dämpfung gestatten, beispielsweise durch an dem Gurt angeordnete, festgeleg-, ten Falten, deren Befestigungen zerreißen und eine Vergrößerung der Gurtlänge gestatten. Ein anderer Nachteil der Sicherheitsgurte besteht darin, daß sie eine anfängliche Einstellung bedingen, die für jede Person unterschiedlich sein muß, die, auf dem mit dem Gurt ver-

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sehenen Sitz Platz nimmt, und daß diese Gurte eine Behinderung der Bewegungen der "fest gegurteten" Personen bedingen. Nun lassen Spannvorrichtungen, wie die in der französischen Patentanmeldung Nr. 72 21 927 beschriebene, die zu schützende Person in ihren Bewegungen frei. Der Gurt erst im Augenblick einer Kollision wird in seine Anlagestellung gebracht und dies dann unabhängig von der ursprünglichen Einstellung des betreffenden Gurtes. Da die bekannten Sicherheitsgurte keine wirksame nachgebende Dämpfung möglich machen, benutzen die bekannten Systeme die Verbindung eines derartigen Gurtes mit einem beweglichen Sitz, der auf fest mit dem Boden des Fahrzeuges verbundenen Schienen angeordnet ist, und ein beispielsweise hydraulisches Dämpfungsorgan, das eine begrenzte Bewegung des betreffenden Sitzes unter Absorbieren einer großen Energiemenge gestattet und so eine wirksame Dämpfung ergibt.

Die mechanische, linear arbeitende Vorrichtung zum Spannen und nachgebend Dämpfen gemäß der Erfindung löst die Aufgabe, einerseits eine vollständige Dämpfung bzw. ein nachgebendes Abfangender beschleunigten und zu schützenden Person zu gestatten, indem sie eine große Energie vernichtet, die der Energie vergleichbar ist, welehe ein aufblasbares Kissen oder eine Dämpfungsvorrichtung auf Schienen verzehrt, und andererseits den Sicherheitsgurt erst bei einer auftretenden Kollision an den Körper der Person anzulegen. Diese beiden Funktionen werden dadurch erzielt, daß man insbesondere die thermodynamischen Eigenschaften hochgespannter Gase benutzt, die in die Vorrichtung zum schnellen Spannen und nachgebenden Dämpfen mit pneumatischer Auslösung eingelassen werden, und daß diese Vorrichtung durch eine geeignete Kombination mechanischer Mittel es ge-

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stattet, eine einzigartige Einrichtung zu einem Preis zu schaffen, der wenig höher ist als der einer einfachen Sicherheitsgurt-Spannvorrichtung und andererseits wesentlich geringer als der Preis von den Sicherheitssystemen ist, in denen eine Spannvorrichtung und eine Dämpfung auf Schienen vereinigt ist.

Die Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung bildet ein Verbindungsorgan zwischen dem Sicherheitsgurt und einem festen Bauteil des Fahrgastraumchassis; beispielsweise für die in einem Automobil vorn sitzenden Personen kann diese Vorrichtung zwischen den beiden Sitzen angeordnet sein und einen der drei Befestigungspunkte des Sicherheitsgurtes bilden.

Die Vorrichtung zum sofortigen Spannen und anschließend nachgebenden Dämpfen mit pneumatischer Auslösung stellt eine mechanische Baugruppe mit linearer Arbeitsweise und veränderlicher Länge dar, die im wesentlichen ein äußeres Gehäuse umfaßt, in dem sich zumindest ein Kolben bewegt, der fest mit einer axialen Übertragungsstange verbunden ist, die in einer Verbindungsöse endet, und in dem Vorrichtungen angeordnet sind, die das Freigeben von hochgespanntem Gas in einen Expansionsraum gestatten, der in der Ausgangsstellung auf das Volumen zwischen der Basis des zentralen Kolbenkopfes und dem vorderen Boden der Vorrichtung begrenzt ist und bei der die schnell expandierenden Gase eine Verschiebung des Kolbens bewirken, der eine Zugkraft auf die Stange und die Verbindungsöse ausübt. Diese Vorrichtung ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß der zentrale Kolben einen beweglichen Hilfskolben enthält, der in seiner Ausgangsstellung durch ein Halteorgan geringer Festigkeit zurückgehalten wird, das bricht, wenn der Druck im Ex-

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pansionsraum einen bestimmten Wert erreicht, der der maximal zulässigen Zugkraft entspricht, daß der Hilfskolben über eine Leitung ohne vorübergehenden Abschluß dauernd den Wirkungen des im Expansionsraum herrschenden Druckes unterworfen ist, daß der Bruch des Halteorganes geringer Festigkeit die zumindest teilweise Verschiebung des Hilfskolbens bestimmt, der eine Vorrichtung zum verzögernden Blockieren in einer Richtung enthält, die die Bewegung des Zentralkolbens während des Spannens stoppt und nur seine Rückkehr in Richtung auf die Ausgangsstellung gestattet, jede Bewegung im Gegensinn aber verhindert.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist das Organ zur verzögerten, in einer Richtung wirkenden Blockierung des zentralen Kolbens durch einen Klemm-Mechanismus gebildet, der eine Stützfläche hat, die in Berührung mit einer Bauelementgruppe ist, die zwischen dem Umfang des zentralen Kolbens, der hier eine konische Umfangsfläche mit geringer Neigung aufweist, und der inneren Oberfläche des Expansionsraumes angeordnet ist. Die betreffenden Bauelemente sind in einer freien Lage durch ein elastisches Halteorgan festgehalten, solange die maximale, auf den zentralen Kolben während des Zugvorganges ausgeübte Kraft nicht erreicht wird, und werden zwischen die konische Kolbenumfangszone und die innere Fläche der Expansionskammer hineingeklemmt, sowie die maximale auf den zentralen Kolben ausgeübte Kraft erreicht ist; die Längsbewegung der Elemente wird durch die Bewegung der genannten Stützfläche des Klemm-Mechanismus erreicht, die durch die Verschiebung zumindest eines Teils des Hilfskolbens bewirkt wird.

Nach einer ersten Variante eines ersten Ausführungsbeispiels

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ist der Hilfskolben axial im Inneren des zentralen Kolbens angeordnet; dieser Hilfskolben hat insbesondere zwei zylindrische, einander benachbarte Umfangszonen von unterschiedlichen Durchmessern, die über eine aktive Ringfläche verbunden sind, die dem Druck der Gase in der Expansionskammer über zumindest eine Verbindungsöffnung ausgesetzt wird.

Nach einer zweiten Variante eines ersten Ausführungsbeispiels ist der Hilfskolben ringförmig und ist am Umfang des Hauptkolbens angeordnet; dieser Hilfskolben ist dem Druck der Gase in der Expansionskammer über zumindest eine Verbindungsöffnung ausgesetzt.

Nach einer ersten Variante eines zweiten Ausführungsbeispiels ist der Hilfskolben teilbar, wenn der maximale Druck in der Expansionskammer erreicht wird; die Verschiebung des beweglichen, abgetrennten Teils des Hilfskolbens betätigt den Klemm-Mechanismus.

Nach einer zweiten Variante eines zweiten Ausführungsbeispiels hat der Hilfskolben keine Bruchzone. Dieser Hilfskolben wird in seiner Anfangsstellung über ein Halteorgan von geringer Festigkeit festgelegt, das zerbricht, wenn der maximal zulässige Druck in der Expansionskammer erreicht ist; die Verschiebung des gesamten Hilfskolbens betätigt den Klemm-Mechanism us.

Vorzugsweise:

- bestehen einerseits die Mittel, die eine Freigabe des unter hohem Druck stehenden Gases gestatten, aus zumindest einer ringförmigen

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pyrotechnischen Ladung mit einer an Größe zunehmenden Abbrennfläche, die mit ihrem Zündsystem versehen ist, das ein Pulver ohne Gas enthält;

- andererseits ist zumindest ein Umfangskolben zwischen den zentralen Kolben und das äußere Gehäuse eingefügt, die innere Oberfläche des Umfangskolbens, die in Berührung mit dem zentralen Kolben ist, bildet ein Element der Oberfläche der Expansionskammer, und die äußere Oberfläche bildet ein Element der Oberfläche einer ersten Pämpfungskammer; dieser Umfangskolben ist mit einem in nur einer Richtung wirksamen Sperrorgan versehen, das jede Rückwärtsbewegung dieses Kolbens in Richtung auf seine Ausgangsstellung unterbindet.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden sich aus der folgenden Beschreibung von ausgewählten Ausführungsbeispielen ergeben, die in der Zeichnung veranschaulicht sind. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung in der Ausgangsstellung ,

Fig. 2 einen schematischen Schnitt der Vorrichtung nach Fig. 1 während der ersten Dämpfungsphase,

Fig. 3 ein schematischer Schnitt durch eine erfindungsgemäße, nach einer zweiten Ausführungsform hergestellten Vorrichtung während der zweiten Dämpfungsphase,

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Fig. 4 ein mehr Einzelheiten zeigender Längsschnitt durch das Gehäuse der Vorrichtung nach dem zweiten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 in der Ausgangsstellung, wobei der Kopf des zentralen Kolbens einer ersten Variante entspricht ,

Fig. 5 ein Einzelheiten zeigender Längsschnitt durch den Kopf des zentralen Kolbens, der gemäß einer zweiten Variante ausgebildet ist,

Fig. 6 ein Einzelheiten zeigender Längsschnitt durch den Kopf des zentralen Kolbens gemäß einer dritten Variante,

Fig. 7 ein Diagramm, das den Verlauf des Gasdruckes in Abhängigkeit von der Zeit wiedergibt,

Fig. 8 ein Diagramm, das den zeitlichen Ablauf der Gegen- oder Widerstandskraft darstellt, die bei einer Vorrichtung, die gemäß Fig. 6 ausgeführt ist, auf die Verbindungs- oder Anschlußöse des Sicherheitsgurtes wirkt.

Nach den schematischen Fig. 1, 2 und 3 enthält die Vorrichtung zum sofortigen Spannen und verzögerten nachgebenden Dämpfen mit pneumatischer Auslösung: eine Befestigungs- oder Anschlußöse 1 für den nicht dargestellten Gurt, die an einer axialen Verbindungsstange 2 befestigt ist, welche ihrerseits in das Gehäuse 3 der Vorrichtung hineinführt, deren äußeres Gehäuse 4 mit dem Chassis des Fahrzeuges über einen gdenkigen Anschluß 5 verbunden ist. Im In-

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neren des Gehäuses kann sich zumindest ein Kolben bewegen, wobei ein zentraler Kolben 6 fest mit der axialen Stange verbunden ist und ein Umfangskolben 7 zwischen dem zentralen Kolben und dem äußeren Gehäuse angeordnet ist. Inder Ausgangsstellung bei Nichtbenutzung ist der zentrale Kolben in Berührung mit dem vorderen Ende 8 des Umfangskolbens 7, der im Inneren des Gehäuses durch ein Rückhalteorgan 9 geringen Widerstandes gehalten ist. Die zu verwendenden Gase unter hohem Druck werden durch eine pyrotechnische Ladung 10 erzeugt, die in einer Dämpfungskammer 11 untergebracht ist, welche mit der Expansionskammer 12 über eine Öffnung 13 verbunden ist. Der Umfangskolben ist mit einem nur in einer Richtung wirksamen Sperrorgan 14 versehen, das sich dauernd in seiner Arbeitsstellung befindet und jede Rückwärtsbewegung in Richtung auf die Ausgangsstellung verhindert, wenn der Umfangskolben nach vorn verschoben wurde. Der zentrale Kolben ist mit einem zeitlich verzögert und nur in einer Richtung wirkenden Sperrorgan 15 versehen, dessen Klemm-Mechanismus in der Ausgangsstellung und während der Bewegung des zentralen Kolbens nach hinten, die beim Zünden der pyrotechnischen Ladung erfolgt, frei ist. Die Inbetriebsetzung des Klemm-Mechanismus erfolgt, wenn der Druck, der in der Expansionskammer herrscht, einen vorbestimmten Grenzwert erreicht; dieser Druck bestimmt den Bruch des Organs 16 geringer Festigkeit, das die Bewegung des Hilfskolbens 17 gestattet, der nun den Klemm-Mechanismus des zeitlich verzögert und nur in einer Richtung wirkenden Sperrorgans betätigt, das die Verschiebung des zentralen Kolbens nach hinten stoppt und nur seine Rückbewegung in die Ausgangsstellung ermöglicht, indem es jede Verschiebung im Gegensinne verhindert. Ein Druckbegrenzungsmechanismus ist dem äußeren

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Gehäuse 4 zugeordnet, er besteht entweder aus einem äußeren Ventil 18 (bei dem ersten in den Fig. 1 und 2 veranschaulichten Ausführungsbeispiel) oder aus einer äußeren Mantelkammer 19 (bei dem zweiten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3).

In der normalen Stellung (Fig. l) hat die Vorrichtung zum Spannen und nachgebend Dämpfen eine maximale Länge, die durch die Länge des äußeren Gehäuses und die Länge der axialen Verbindungsstange gegeben ist; das Organ zur zeitverzögernden Blockierung des zentralen Kolbens 6 in einer Richtung ist nicht wirksam, und der zentrale Kolben kann sich frei verschieben, während der Umfangskolben in seiner eingezogenen Stellung durch ein Halteorgan 9 geringer Festigkeit, beispielsweise einen elastischen Ring mit Vorsprüngen zurückgehalten wird. Wenn die zu schützende Person ihren Sicherheitsgurt anlegt, ist keine Einstellung notwendig und der Gurt ist nicht in umfassender Berührung mit der Person, die deshalb in ihren Bewegungen vollkommen frei ist. Im Fall einer Kollision zündet ein elektrisches Signal, das von einem Stoßdetektor erzeugt wird, die pyrotechnische Ladung 10, die ihrerseits ein großes Gasvolumen in sehr kurzer Zeit freisetzt. Die progressiv von der pyrotechnischen Ladung mit einer zunehmenden Brennfläche freigegebenen Hochdruckgase treiben den Kopf 6 des zentralen Kolbens nach hinten und bewirken so eine Kürzung der Länge der Vorrichtung, deren Gehäuse fest am Fahrzeugchassis befestigt ist, so daß ein Zug auf den Sicherheitsgurt bis zu dessen Anlegen an der zu schützenden Person bewirkt wird; der zentrale Kolben ist normalerweise noch nicht am Ende seines Hubes, und die Lage des zentralen Kolbens im Augenblick des Gurtanlegens ist durch das Spiel bestimmt, das ursprünglich zwi-

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sehen dem Sicherheitsgurt und der zu schützenden Person bestand. Die durch ihre eigene Trägheit heftig nach vorn geschleuderte Person übt eine große Widerstandskraft auf den zentralen Kolben aus, dessen Bewegung nach rückwärts verzögert oder gestoppt wird, wodurch das Volumen der Expansionskammer begrenzt und ein wachsender Überdruck der Verbrennungsgase entsteht. Wenn der Druck in der Expansionskammer einen vorbestimmten Grenzwert erreicht, bricht der Hilfskolben 17, der der Wirkung der Gase über die Leitungen 20 ausgesetzt ist, das Halteelement 16 mit kleiner Festigkeit, das ihn in seiner Anfangs stellung zurückhielt, und der Kolben bewegt sich, wobei er das Organ 15 zur zeitverzögert und in einer Richtung wirkenden Blockierung des zentralen Kolbens betätigt, wodurch jede Rückwärtsbewegung dieses Kolbens verhindert und lediglich seine Vorwärtsbewegung gestattet wird, während der sich die erste Dämpfungsphase abspielt (Fig. 2), die sich fortsetzt, bis der zentrale Kolben in seiner Ausgangsstellung in Anlage an dem vorderseitigen Ende 8 des Umfangskolbens 7 angelegt ist. Die zweite Dämpfungsphase (Fig. 3) beginnt mit dem Bruch des elastischen Zapfenringes 9, der den Umfangskolben 7 freigibt, welcher nunmehr unter der Wirkung der Zugkraft, die von der zu schützenden Person ausgeübt wird, sich nach vorn verschieben kann, wobei er das unter hohem Druck in der Dämpfungskammer 11 befindliche Gas komprimiert; der Druckanstieg in diesem Gas wird begrenzt entweder durch ein geeichtes Überdruckventil (18) oder durch eine zusätzliche äußere Kompressionskammer (19).

Ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum schnellen Spannen und nachgebenden Dämpfen nach der zwei-

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ten Ausführungsform, wie sie schematisch in Fig. 3 dargestellt ist, wird im Längsschnitt in Fig. 4 veranschaulicht, die lediglich das Gehäuse der Vorrichtung darstellt.

Das äußere Gehäuse umfaßt insbesondere einen Bauteil 30, der einen rohrmantelförmigen Hohlraum enthält, welcher die zusätzliche Kompressionskammer 19 bildet und in den einerseits ein rückwärtiger Deckel 21 eingeschraubt ist, der einen Gelenkanschluß 5 aufweist und andererseits ein vorderseitigen Deckel 22, der mit einem Rückhalteorgan 9 geringer Festigkeit in Form eines Ringes, dessen Abscherorgane sich an den Umfangskolben 7 anlegen, ausgeführt ist. Dieser Umfangskolben hat an seinem rückwärtigen Teil ein nur in einer Richtung wirksames Blockier- oder Sperrorgan, das aus einer konischen Ringfläche 23 und einer Anzahl von Kugeln 24 besteht, die mit der konischen Ringfläche durch einen elastischen Ring 25 in Berührung gehalten werden, der mittels eines Sprengringes 26 unter Druck gesetzt wird. Hier begrenzen die äußere Fläche des Umfangskolbens und die innere Fläche des äußeren Gehäuses die Dämpfungskammer 11, die in ihrem vorderen Teil eine pyrotechnische, ringförmige Ladung enthält, die aus Zylindern perforierten Pulvers und zwei Schnellzündern 28 besteht, deren elektrische Zündleitungen 29 durch den vorderen Boden 22 des Gehäuses in einer abgedichteten Durchführung hindurchführen. Das vordere Ende 8 des Umfangskolbens ist in Berührung mit der axialen Verbindungsstange 2, die sich frei verschieben läßt und mit dem Kopf des zentralen Kolbens 6, der mit einem Organ zur zeitverzögerten und nur in einer Richtung wirksamen Blockierung versehen ist, die insbesondere einen axialen Hilfskolben 17 und einen Klemm-Mechanismus umfaßt, der im wesentlichen dem des Umfangskolbens gleich ist. Öffnungen 31 mit kleinem

■1·

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Querschnitt verbinden die zusätzliche Kompressionskammer 19 und die Dämpfungskammer 11, während Öffnungen 13 mit großem Querschnitt diese letztere Kammer mit der Expansions kamm er 12 und Leitungen 20 dieser Expansionskammer mit dem Raum vor der wirksamen Ringfläche 32 des Hilfskolbens 17 verbinden,.

Die Abmessungen des äußeren Gehäuses sind beispielsweise: Äußerer Durchmesser des rückwärtigen Teils 75 mm, Länge über alles 250 mm, wobei der erste Wert die Ermittlung des, Maßstabes in den Zeichnungen gestattet. Die pyrotechnische Hauptladung 27 hat eine Zündverzögerung von 4 Millisekunden, eine Verbrennungsdauer von 15 Millisekunden, und.der Druck der Gase erreicht unter der Voraussetzung, daß der zentrale Kolben in Berührung mit dem rückwärtigen Boden 21 des äußeren Gehäuses kommt, einen Druckwert

2
von etwa 80 kg/cm am Ende der Verbrennungsphase. Die aktiven Oberflächen des zentralen Kolbens 6 und des Umfangskolbens 17 sind gleich

dichtungen.

2
sind gleich 8 cm , und sämtliche Dichtungen sind Hochtemperatur-

Im- Betrieb wächst nach dem Zünden der pyrotechnischen Ladung durch ein elektrisches, über die Zündleiter 29 übertragenes Signal der Druck in der Expansionskamm er 12 sehr schnell, aber stetig, und das Ansteigen ist .in der Expansionskammer 12 schneller als in der zusätzlichen Kompressionskammer 19. Diese kurzzeitige lokale Überdruckphase macht es möglich, den Kolben 6 und die axiale Verbindungsstange 2 sehr schnell nach hinifen zu bewegen; es ist jedoch nötig, das Festhalteorgan 9 geringer Festigkeit zu benutzen, um jede unerwünschte Bewegung des Umfangskolbens 7 zu einer ungelegenen

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Zeit zu verhindern. Der zentrale, nach rückwärts geschobene Kolben übt über die axiale Verbindungsstange 2 einen Zug auf den Sicherheitsgurt aus, und wenn die einzelnen Bänder dieses Sicherheitsgurtes sich an die zu schützende Person anlegen, steigt der Druck wesentlich schneller. Sobald dieser Druck nun einen vorherbestimmten Wert erreicht, wird das Organ zur zeitverzögerten und nur in einer Richtung wirkenden Blockierung in seine Wirkstellung gebracht. Dieser

Grenzdruckwert kann beispielsweise auf 80 kg/cm festgesetzt werden. Sobald dieser Grenzwert erreicht ist, führt der sich auf die aktive Ringfläche 32 des axialen Hilfskolbens 17 über die Leitungen 20 auswirkende Druck einerseits zum Bruch der Zapfen mit geringem Widerstand an dem Rückhalteelement 16 und andererseits zur Verschiebung des Hilfskolbens 17 nach vorn. Dieser Hilfskolben ist mit einer Scheibe 33 versehen, deren Umfangszone eine Gruppe von Kugeln 34 unter Komprimieren des elastischen Ringes 35 vorschiebt; diese Kugeln klemmen sich zwischen der konischen Ringfläche 36 am Kopf des zentralen Kolbens 6 und der inneren Oberfläche des Umfangskolbens 7 ein. Dieser Klemm-Mechanismus blockiert die Bewegung des zentralen Kolbens nach hinten und gestattet nur noch die Bewegung nach vorn, wenn die Kraft, die von der zu schützenden Person auf den Sicherheitsgurt ausgeübt wird, größer ist als diejenige Kraft, die auf den Kopf des zentralen Kolbens durch den Druck der Verbrennungsgase ausgeübt wird. Eine Rückkehr des Kolbens in Richtung auf seine ursprüngliche Stellung bringt wegen Verringerung des Volumens in der Expansionskammer eine Kompression der Gase und damit eine nachgebende Dämpfung der Bewegung der zu schützenden Person mit sich, wobei eine Rückhaltekraft ausgenutzt wird, die stetig zunimmt. Der Umfangskolben 7 ist immer noch durch den Zapfen-

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ring 9 festgehalten; da die Dämpfung in einer sehr kurzen Zeitspanne abläuft, ist der Wärmetausch zwischen dem Gas und dem äußeren Milieu begrenzt, und die thermodynamische Zustandsänderung der Gase mit hohem Druck ist zumindest angenähert eine adiabatische Kompression. Das Volumen der Expansionskammer 12 wird auf sein Anfangsvolumen zurückgeführt, und die Gase werden durch die Öffnungen in die Dämpfungskammer 11 gedrückt. Wenn die vorderseitige Stirnfläche des zentralen Kolbens in Berührung mit dem vorderseitigen Ende 8 des Umfangskolbens kommt, erfährt die Dämpfung eine Unstetigkeit, da die Widerstandskraft, die auf die Verbindungsöse des Sicherheitsgurtes ausgeübt wird, ansteigen muß, um das Abscheren der Zapfen des Ringes 9 zu bewirken, dieden Umfangskolben freigeben. Dieser Kolben wird sodann nach vorn gezogen, wobei die Gase sich thermodynamisch wie bei einer adiabatischen Kompression verhalten, während sie in die zusätzliche Kompressionskammer 19 durch die Öffnungen 31 übergeschoben werden, und das in einer Richtung sperrend wirkende Organ des Umfangskolbens verhindert jede Rückwärtsbewegung des Umfangskolbens, wenn das dämpfende Abfangen der zu schützenden Person beendet ist.

Die Fig. 5, die einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung entspricht, dient zum Beschreiben einer im wesentlichen gleichartigen Funktion, die dem Funktionsablauf entspricht, wie er oben beschrieben wurde; die sekundären Abweichungen, die sich zeigen, sind auf eine andere Ausführungsform des zeitlich verzögert in einer Richtung wirkenden Blockierungsorgans zurückzuführen, das allein beschrieben ist.

Im Inneren des Umfangskolbens 7 a und in Berührung mit seinem 509 8 28/0579

vorderen Ende 8a ist die axiale Verbiiidungsstange 2a, auf die der zentrale Kolben 6 a aufgeschraubt ist. Der Kolben trägt eine rohr- oder ringförmige Verlängerung 37, die eine innere Ringkammer 38 begrenzt, die mit der Expansionskammer 12a über drei Leitungen 20 a in Verbindung steht. Diese innere Kammer enthält einen Hilfsringkolben 39, der in seiner normalen Stellung über einen Bruch-Sprengring 40 gehalten ist und mit einer Gruppe von Kugeln 34 a in Berührung steht, die sich auf einen elastischen Ring 35a abstützen, der das Hineinzwängen dieser Kugeln zwischen die konische Ringfläche 36 a des zentralen Kolbens und die innere Fläche des Umfangskolbens verhindert, solange der Sprengring nicht zerbrochen ist.

Die Fig. 6 entspricht einem dritten Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zur zeit verzögernden und nur in einer Richtung wirksamen Blockierung, die allein im Betrieb beschrieben wird. Während einer Kollision wird ein elektrisches, von einem Stoßdetektor erzeugtes Signal einer pyrotechnischen Ladung zugeführt, die Gas erzeugt oder einem pyrotechnischen Auslöser, der ein ursprünglich komprimiertes Gas freigibt, das sich beispielsweise in der oder in einer zusätzlichen Kompressionskammer befindet. Das Gas unter hohem Druck wird in die Expansionskammer 12b über die Öffnungen 13 b geleitet. Der zentrale Kolben 6 b wird nach hinten getrieben und bewirkt das Spannen des Sicherheitsgurtes über die axiale Verbindungsstange 2b, und wenn die Bänder dieses Sicherheitsgurtes sich an die zu schützende Person anlegen, steigt der Druck schnell; sobald dieser Druck bei-

spielsweise den Wert von 80 kg/cm erreicht hat, wird über die aktive Ringfläche 32 b des axialen Hilfskolbens 17 b eine Zugbeanspruchung in dem Element 41 kleiner Festigkeit erzeugt, die derart

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ist, daß der Bruch eintritt. Der rückwärtige Teil 42 dieses Kolbens endet in einem Konus, er wird nach hinten getrieben und spreizt die vier Betätigungsstangen 43 mit den abgeschrägten Enden, die an einer konischen Innenfläche eines Ringkörpers 44 anliegen, der nach vorne verschoben wird und die Einklemmung einer Gruppe von Kugeln 34 b zwischen die konische Anlagefläche 36 b am zentralen Kolben und die innere Wandfläche des Umfangskolbens 7 b bewirkt, wobei der elastische Ring 25b zusammengedrückt wird.

Nach der obigen Beschreibung der unterschiedlichen Ausführungsformen ist darauf hinzuweisen, daß beim Zurückgehen des zentralen Kolbens in seine Ausgangsstellung während der Phase des dämpfenden Abfangens der zu schützenden Person, die Dämpfung einerseits auf der Kompressionsarbeit der Verbrennungsgase und andererseits auf der Deformationsarbdt der inneren Fläche des Umfangskolbens beruht, da die Klemmkugeln die Neigung zeigen, in diese Oberfläche einzudringen, indem sie sich auf die konische Stützfläche des zentralen Kolbens abstützen; dieses Eindringen beruht auf dem Schub entweder des Hilfskolbens (Fig. 5) oder eines beweglichen Bauteils, der durch den Hilfskolben bewegt wird (Fig. 4 und 6). Diese Dämpfungsarbeit durch Deformation kann einen großen Anteil der gesamten Dämpfungsarbeit bilden, wenn der Hilfskolben eine große Fläche in Berührung mit den Gasen hat.

In den Fig. 7 und 8, die jeweils den Verlauf des Druckes und die auf den Gurt ausgeübte Widerstandskraft in Abhängigkeit von der Zeit wiedergeben, entsprechen die Kurvenausgangspunkte 0 dem Augenblick der Zündung des Zündpulvers, die Augenblicke To entsprechen dem Eingriff des zeitlich verzögert in einer Richtung wirksamen Blok-

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kierens des zentralen Kolbens, die Zeitpunkte T1 entsprechen dem Rückgang des zentralen Kolbens in seine Ausgangsstellung nach der erfolgten Dämpfung im Bereich der Expansionskammer, und die Zeitpunkte T 3 entsprechen dem Ende des DämpfungsVorganges. Auf der Ordinate entsprechen die Indizes der speziellen Werte Pn und Fn den Indizes der betreffenden Augenblicke. Die Ordinaten P (Druck) und F (Kraft) sind linear geteilt, während der Maßstab der Abszissen T (Zeit) logarithmisch ist; der Zusammenhang der Zeitpunkte Tn mit der Basis der Zeit ist nur willkürlich, diese Zusammenhänge beruhen im wesentlichen auf den Bedingungen eines Zusammenstoßes, die ihrerseits die Bedingungen für die unterschiedlichen mechanischen Funktionen bestimmen. Die Fig. 7 und 8 zeigen den Ablauf des Drucks und der Widerstandskraft in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, die nachdem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 6 ausgeführt ist, wobei alle die nicht hier dargestellten Teile identisch mit denen der Fig. 4 sind. In der Fig. 7 entspricht der Kurventeil A dem Druck, der in der Däm pfungs kamm er herrscht, und der Kurventeil B gibt den Druck in der Expansionskamm er wieder. Die maximale Differenz Δ PM bestimmt die Auslegung der Haltekraft der Halteorgane mit geringer Festigkeit sowie der Sprungringe, die das Festhalten des Umfangskolbens während der Verschiebung des zentralen Kolbens nach hinten gewährleisten. In Fig. 8 stellt die voll ausgezogene Kurve den Verlauf der tatsächlichen Widerstandskraft dar, die auf die Kompressionsarbeit der Gase und die Deformationsarbeit zurückzuführen ist, die gestrichelte Kurve entspricht dem Verlauf der einzig auf die Korn pres s ions arbeit der Gase zurückzuführenden Kraft. Die Kraftspitze, die im Augenblick Tl eintritt, ist durch den zusätzlichen Kraftaufwand für das Abscheren der "Zapfen" des Halteorgans mit geringem Widerstand bedingt.

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Claims (9)

-. 19 - Patentansprüche

1. !Mechanische, linear arbeitende Vorrichtung zum Spannen und nachgebendem Dämpfen, insbesondere verwendbar als Schutzvorrichtung an Sicherheitsgurten, mit einem äußeren Gehäuse, in dem sich zumindest ein Kolben bewegt, dfer fest mit einer axialen Übertragungsstange verbunden ist, die in einer Verbindungsöse endet, und in dem Vorrichtungen angeordnet sind, die das Freigeben von hochgespanntem Gas in einen Expansionsraum gestatten, der in der Ausgangsstellung auf das Volumen zwischen der Basis des Kopfes eines zentralen Kolbens und dem vorderen Boden der Vorrichtung begrenzt ist, und bei der die schnell expandierenden Gase eine Verschiebung des Kolbens bewirken-, der eine Zugkraft auf die Stange und die Verbindungsöse ausübt., dadurch gekennzeichnet, daß der.zentrale Kolben (6) einen beweglichen Hilfskolben (17) enthält, der in seiner Ausgangsstellung durch ein Halteorgan (l6) geringer Festigkeit zurückgehalten wird, das bricht, wenn der Druck im Expansionsraum (12) einen bestimmten Wert erreicht, der der maximal zulässigen Zugkraft entspricht; daß der Hilfskolben über eine Leitung (20) ohne vorübergehenden Abschluß dauernd den Wirkungen des im Expansionsraum herrschenden Druckes unterworfen ist und daß der Bruch des Halteorgans geringer Festigkeit die zumindest teilweise Verschiebung des Hilfskolbens ergibt, der eine Vorrichtung (34, 35, 36) zum verzögerten Blockieren in einer Eichtung betätigt, die die Bewegung des Zentralkolbens während des Spannens stoppt und nur seine Rückkehr in Richtung auf die Ausgangsstellung gestattet, jede Bewegung im Gegensinn aber verhindert.

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2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zeitlich verzögerte, in nur einer Richtung wirkende Blockierungsorgan für den zentralen Kolben (6) aus einem Klemm-Mechanismus besteht, der eine Stützfläche in Berührung mit einer Gruppe von Elementen (34) aufweist, die zwischen dem Umfang des zentralen Kolbens, der eine konische schwach geneigte Ringfläche (36) aufweist, und der inneren Oberfläche der Expansionskammer (12) angeordnet sind, wobei diese Elemente in einer freien Stellung durch ein elastisches Halteorgan (35) gehalten sind, solange die maximale auf den zentralen Kolben während des Spann vor gang es ausgeübte Kraft noch nicht erreicht ist, und zwischen die konische Stützfläche und die innere Fläche der Expansionskammer eingeklemmt werden, wenn die maximale auf den zentralen Kolben ausgeübte Kraft erreicht wird, und daß die Längsbewegung der Elemente durch die Bewegung der erwähnten Stützfläche des Klemm-Mechanismus erreicht wird, die durch die Translation von zumindest einem Teil des Hilfskolbens erzielt ist.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfskolben (17) axial im Inneren des Zentralkolbens (6) angeordnet ist, zumindest zwei einander benachbarte zylindrische Abschnitte von unterschiedlichem Durchmesser aufweist, die durch eine aktive Ringfläche verbunden sind, welche dauernd dem Druck der Gase in der Expansionskammer (12) über zumindest eine dauernd offene Öffnung (20) unterworfen ist (Fig. 4).

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfskolben (39) ringförmig ist und am Umfang des zentralen Hauptkolbens (6 a) angeordnet ist und daß dieser Hilfs-

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kolben dauernd dem Gasdruck in der Expansionskammer (l2a) über zumindest eine dauernd offene Öffnung (20a) unterworfen ist (Fig. 5).

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauelement (41) mit geringem Widerstand, das den Hilfskolben (17 b) in seiner .Anfangsstellung hält, seinerseits zu dem Hilfskolben gehört, der sich teilt, wenn der maximal zulässige Druck in der Expansionskammer (12b) erreicht wird, und daß die Translation des beweglichen Teils (42) des gebrochenen Hilfskolbens den Klemm-Mechanismus betätigt.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfskolben (17 bzw. 39) keine Bruchzone enthält, daß der Hilfskolben in seiner Anfangsstellung mittels eines Haltestückes (16, 40) geringen Widerstandes gehalten wird, das bricht, wenn der maximal zulässige Druck in der Expansionskammer (12) erreicht wird, wobei die Translation des gesamten Hilfskolbens den Klemm-Mechanismus (34, 35, 36) betätigt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel, die es gestatten, die Gase unter hohem Druck freizugeben, aus zumindest einer pyrotechnischen ringförmigen Ladung (27) mit geringer Verbrennungsdauer bestehen, die mit ihrem Zündsystem (28, 29) versehen ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die pyrotechnische Ladung (27) eine zunehmende Abbrennfläche aufweist und das Zündsystem ggf. ein gasfreies Pulver enthält.

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9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Umfangskolben (7) zwischen dem zentralen Kolben (6) und dem äußeren Gehäuse (4) angeordnet ist, die innere Fläche des Umfangskolbens in Berührung mit dem zentralen Kolben ein Element der Innenfläche der Expansionskammer (12) bilden und seine äußere Oberfläche ein Element der Oberfläche der ersten Dämpfungskammer (ll) bildet und daß der Umfangskolben mit einer Vorrichtung (23, 24, 25, 26) zum in einer Richtung wirksamen Blockieren versehen ist, die jede Zurückbewegung dieses Kolbens in Richtung auf seirie Ausgangsstellung verhindert.

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