DE29614587U1 - Kraftbegrenzer für ein Sicherheitsgurtsystem - Google Patents
Kraftbegrenzer für ein SicherheitsgurtsystemInfo
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Description
22. August 1996
TRW Occupant Restraint Systems GmbH
Industriestraße 20
D-73551 Alfdorf
Industriestraße 20
D-73551 Alfdorf
Unser Zeichen: T 7601 DE St/St
Kraftbegrenzer für ein Sicherheitsgurtsystem
Die Erfindung betrifft einen Kraftbegrenzer für ein Sicherheitsgurtsystem,
der eine Verdrehung zwischen einer Welle und einem Lagerteil bei einem vorbestimmten Drehmoment ermöglicht.
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.
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 Betriebs 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.
Im Gegensatz dazu schafft die Erfindung einen Kraftbegrenzer,
dessen Kennlinie in beliebiger Weise gestaltet und damit an die Einsatzbedingungen angepaßt werden kann. Gemäß der Erfindung ist ein
Kraftbegrenzer der eingangs genannten Art durch ein Deformationselement gekennzeichnet, das sich im Ausgangszustand ausgehend von dem Lagerteil
zu der Welle erstreckt und diese entgegengesetzt zur Richtung der Verdrehung zwischen der Welle und dem Lagerteil wenigstens teilweise
umschlingt. 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 Drehmomentes möglich.
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 abfallt, 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 Kraftbegrenzer
zugelassenen Drehmoments und damit der Gurtbandkraft, bevor eine
Kraftbegrenzung erfolgt. In der sich daran anschließenden Phase des
Aufbiegens der Wicklung des Deformationselemenies 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.
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.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht das Deformationselement aus zwei Deformationsabschnitten. Dies führt zu
einem besonders kompakten Kraftbegrenzer.
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.
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.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügte
Zeichnung erläutert. In dieser zeigen:
- Fig. 1 schematisch einen erfindungsgemäßen Kraftbegrenzer; 5
- Fig. 2 ein Beispiel einer Kennlinie von Gurtbandkraft über freigegebener
Gurtbandlänge, die mit einem erfindungsgemäßen Kraftbegrenzer erzielt werden kann;
- Fig. 3 schematisch einen im Inneren einer Gurtspule angeordneten
erfindungsgemäßen Kraftbegrenzer; und
- Fig. 4 schematisch einen zwischen Gurtaufroller und Fahrzeug angeordneten
erfindungsgemäßen Kraftbegrenzer.
In Fig. 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.
Das Deformationselement 14 besteht bei der dargestellten Ausfuhrungsform 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 Figur 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.
• · · f
JA.« t ·· ·
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.
Nachfolgend wird die Funktionsweise des in Figur 1 dargestellten Kraftbegrenzers beschrieben, wobei auf die in Figur 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.
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 Figur 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 Figur 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 Figur 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.
In Abhängigkeit von dem jeweils gewählten Widerstandsmoment wird am
Ende des Bereichs A eine vorbestimmte Kraft Fl erreicht. Daran anschließend kommt es zu einem Aufbiegen der von den Deformationsabschnitten
15 gebildeten Wicklungen. In einem ersten Bereich,
entsprechend dem Bereich B von Figur 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 Figur
1 dargestellten Ausgangszustand entgegengesetzten Richtung wieder auf die Welle 10 aufgewickelt werden, entspricht dem Bereich C von Figur 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 Figur 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.
In Figur 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 Gurtaurrollers,
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.
In Figur 4 ist schematisch ein Gurtaufroller dargestellt, dessen Gurtspule 32 in ähnlicher Weise wie bei dem in Figur 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 Figur 3 dargestellten Gurtaufroller besteht lediglich darin, daß der Kraftbegrenzer nicht im Inneren der Gurtspule,
sondern außerhalb des Rahmens 40 angordnet ist.
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.
Claims (17)
1. Kraftbegrenzer für ein Sicherheitsgurtsystem, der eine Verdrehung zwischen einer Welle (10) und einem Lagerteil (12) bei
einem vorbestimmten Drehmoment ermöglicht, gekennzeichnet durch mindestens ein Deformationselement (14), das sich im Ausgangszustand
ausgehend von dem Lagerteil (12) zu der Welle (10) erstreckt und diese entgegengesetzt zur Richtung der Verdrehung zwischen der Welle (10)
und dem Lagerteil (12) wenigstens teilweise umschlingt.
2. Kraftbegrenzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Endzustand nach erfolgter Verdrehung zwischen der Welle (10) und dem
Lagerteil (12) das Deformationselement (14) die Welle (10) in zum Ausgangszustand entgegengesetzter Richtung umschlingt.
3. Kraftbegrenzer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß das Deformationselement (14) aus zwei Deformationsabschnitten besteht.
4. Kraftbegrenzer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die
Welle (10) mit einem Schlitz versehen ist und daß ein sich zwischen den beiden Deformationsabschnitten erstreckender Mittelabschnitt (16)
des Deformationselementes (14) sich durch diesen Schlitz hindurch
erstreckt.
5. Kraftbegrenzer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß das Deformationselement (14) im Lagerteil (12) zweiwertig gelagert ist.
6. Kraftbegrenzer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das
Lagerteil (12) Zug- und Querbelastungen des Deformationselementes (14) aufnehmen kann.
7. Kraftbegrenzer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß sich die Dicke des Deformationselementes (14) entlang seiner Länge ändert.
8. Kraftbegrenzer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß sich die Breite des Deformationselementes (14) entlang seiner Länge ändert.
9. Kraftbegrenzer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß das Deformationselement (14) aus einem duktilen Werkstoff besteht.
10. Kraftbegrenzer nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Deformationselement (14) aus Stahl besteht.
11. Kraftbegrenzer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Deformationsabschnitt des Deformationselementes (14) die Welle
(10) über 360° umschlingt.
12. Kraftbegrenzer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein bewegbares Stützelement (20)
vorgesehen ist, das an der Außenseite des Deformationselementes (14)
angreift.
13. Kraftbegrenzer nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand des Stützelementes (20) von dem Lagerteil (12) variabel
ist.
14. Kraftbegrenzer nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand des Stützelementes (20) von dem Lagerteil (12) mechanisch
verstellt wird.
15. Kraftbegrenzer nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand des Stützelementes (20) von dem Lagerteil (12) elektromechanisch
verstellt wird.
16. Kraftbegrenzer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Deformationselement eine Gurtspule
(32) eines Gurtaufrollers mit dessen Achse (36) verbindet.
17. Kraftbegrenzer nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß er im Inneren der Gurtspule (32) angeordnet ist.
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