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Schaltvorrichtung für Sicherheitseinrichtungen vorzugs-
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weise für Kraftfahrzeuge Die Erfindung geht aus von einer Schaltvorrichtung
gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
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Derartige Schaltvorrichtungen werden beispielsweise benötigt, um Sicherheitseinrichtungen
z.B. Airbags oder Rückstrammvorrichtungen, die in Kraftfahrzeugen eingebaut sind,
mechanisch auszulösen bzw. zu zünden. So kann mit einer solchen Schaltvorrichtung
z.B. die Rückstrammeinrichtung eines Sicherheitsgurtsystems in der Weise aktiviert
werden, daß durch den Schaltstößel ein auf das Rückstrammsystem einwirkender Eraftspeicher,z.B.
eine starke Feder, im Notfalle freigesetzt wird, so daß dann der Rückstrammvorgang
sofort eingeleitet und durchgeführt wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltvorrichtung gemäß
dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 so auszugestalten, daß bei sehr einfacher
konstruktiver Ausgestaltung nur relativ kleine Kräfte benötigt und nur kleine Massen
bewegt werden müssen, um eine sehr große Schaltkraft zu erhalten bzw. auszulösen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch die im Kennzeichnungsteil des Patentanspruches
1 aufgeführten Maßnahmen.
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Als Antriebsimpuls können hierbei vorbestimmte Beschleunigungs- oder
Verzögerungokräfte, die z.P. bei einem Unfall auf ein Kraftfahrzeug einwirken, dienen,
wobei diese Kräfte unmittelbar den als Trägheitsmasse ausgebildeten Sperrkörper
aus der Sperrstellung bewegen oder aber bei massearmer Ausgestaltung des Sperrkörpers
eine besondere Sensoreinrichtung vorgesehen ist, die z.B. mittels einem Stoßmagneten
auf den Sperrkörper einwirkt und diesen aus der Sperrstellung heraus in die Auslösestellung
bewegt. Insbesondere dann, wenn der Schalt stößel mit Abstand von dem nachgeschalteten
Schaltglied, z.B. von einer pyrotechnischen Zündeinrichtung, angeordnet ist, wirkt
nach dem Auslösen der Schaltstößel wie ein Schlagbolzen, da der Schaltstößel nach
Freiwerden infolge des Kraftspeichers, insbesondere einer Feder stark beschleunigt
wird und dadurch kinetische Energie besitzt, die beispielsweise sehr vorteilhaft
kurzwegig in Kraft umgesetzt werden kann.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Sperrkörper
durch Federkraft in der Sperrstellung gehalten. Diese Federkraft sowie die Masse
des Sperrkörpers kann so dimensioniert werden, daß gewährleistet ist, daß eine Auslösung
erst nach Überschreiten einer vorbestimmten Aktivierungsschwelle erfolgt, die über
einen gewissen Zeitraum ansteht. Kurzzeitige Stöße, die z.B. beim Überfahren von
Bordschwellen oder bei Hammerschlägen bei der Reparatur des Kraftfahrzeuges auftreten,
dürfen die Schaltvorrichtung nicht aktivieren. Neben der vorgenannten Dimensionierung
von Sperrkörper und Federkräften wird eine kurzzeitige Einwirkung von Stößen gemäß
einer Weiterbildung der Erfindung dadurch unschädlich gemacht, daß das Gehäuse am
Außenumfang mit einer elastischen und stoßdämpfenden Halterung vorzugsweise in Form
eines Dämpfringes versehen und über diese Halterung z.B. an einem Kraftfahrzeug
befestigt ist.
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Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gegeben, daß
das Gehäuse der Schaltvorrichtung eine im wesentlichen
parallel
zur Stößelbahn verlaufende Verschiebefläche für den Sperrkörper aufweist, daß der
auf der Verschiebefläche entgegen Federkraft verschiebbare Sperrkörper eine Sperrfläche
besitzt, auf der sich eine quer, vorzugsweise seiikrecht zur Verschiebeflache bewegbare
Sperrkugel oder ein sonstiger Wälzkörper abstützt und in die Stößelbahn hineinragt
und in einer Gehäuseausnehmung geführt ist. Wiederum zu dem Zweck, um bei kurzzeitigen
Stößen keine Auslösung der Schaltvorrichtung zu bewirken, ist erfindungsgemäß vorgesehen,
daß der Sperrkörper einen Bewegungsbereich besitzt, innerhalb welchem er sperrend
auf den Schaltstößel einwirkt und innerhalb welchem er durch die Federkräfte wieder
in die Sperrstellung zurückbewegt wird.
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Um eine sehr kurzzeitige und mit Sicherheit funktionierende Auslösung
des Schaltstößels zu erreichen ist erfindungsgem&ß vorgesehen, daß bei Verwendung
einer Sperrkugel, die in eine Umfangsnut des Schaltstößels in der Sperrstellung
eingreift, in dieser Sperrstellung der Mittelpunkt der Sperrkugel außerhalb der
Stößelbahn liegt bzw. daß die sich in der Sperrstellung an der Sperrkugel abstützende
Kante der Umfangsnut schräg geneigt ist. Auf diese Weise wird immer dann, wenn die
Sperrkugel freigegeben wird, der Schaltstößel die Sperrkugel mit Sicherheit und
in außerordentlich kurzer Zeit bis außerhalb der Stößelbahn bewegen. Auch durch
die vorgenannten Maßnahmen, d.h. durch entsprechende Dimensionierung z.B. des Neigungswinkels
der Nutkante läßt sich die Auslöseschwelle exakt einstellen, so daß bei kurzzeitigen
Stößen d.h. Beschleunigungen oder Verzögerungen keine Auslösung der Schaltvorrichtung
erfolgt, während diese Auslösung bei einem Fahrzeugunfall mit Sicherheit erfolgt,
da die Beschleunigungen oder Verzögerungen bei einem Unfall um ein Mehrfaches länger
anstehen bzw. andauern, so daß der Verschiebeweg des Sperrkörpers ausreicht um die
Schaltvorrichtung zu aktivieren. Aus diesem Grunde kann hierbei die Auslöseschwelle
relativ niedrig gehalten werden.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist im Gehäuse eine
Montagesicherung gelagert, bestehend aus einem relativ zu der mit einer Zetrierbohrung
versehenen Gleitfläche des Sperrkörpers vertellbaren Zentrierzapfen. Durch diese
Montagesicherung ist gewährleistet, daß beim Transport und bei der Montage der ochaltvorrichtung
keine unbeabsichtigte Auslösung erfolgt. Nach der Montage wird der Zentrierzapfen
in eie Freigabestellung verschoben und dort arretiert, womit die Schaltvorrichtung
voll funktionsfähig ist.
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Weitere vorteilhafte Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den
in der Zeichnung dargesellten und nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen.
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Es zeigt Figur 1 die Schnittansicht der erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung
in Sperrstellung, Figur 2 die Schaltvorrichtung gemäß Figur 1 in Auslösestellung,
Figur 3 eine Sclmitt-Draufsicht auf die Schaltvorrichtung gemäß Figur 1 und 2, d.h.
auf den Sperrkörper in Verbindung mit einer strichpunktiert dargestellten Sensor-
und Betatigungseinrichtung, Figur 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Schaltvorrichtung in Schnittdarstellung, Figur 5 ein letztes Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung mit Außendämpfung, Figur 6 die Explosionsdarstellung
der Schaltvorrichtung gemäß Figur 4.
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BeLm Ausführungsbeispiel gemäß den Figuren 1 bis 3 ist tragender Teil
der Schaltvorriclitun, ein z.B. aus Kunststoff bestenendes Gehäuse 1, das mit einer
einseitig offenen Stößelbohrung 2 sowie mit einer runden Gehäusekammer 3 versehen
ist, wobei sich zwischen Stößelbohrung 2 und Gehäusekammer 3 eine Zwischenwand 4
befindet. In der Stößelbohrung 2 längs verschiebbar gelagert ist ein im wesentlichen
zylindrischer, z.B. aus einem metallischen Werkstoff bestehender Schaltstößel 5,
der eine Innenbohrung 6 besitzt, in welcher eine Feder 7 gelagert ist, die sich
einerseits am unfreien Ende der Innenbohrung 6 und andererseits an der Rückwand
der Stößelbohrung 2 abstützt. Der Schaltstößel 5 besitzt im mittleren Bereich eine
Umfangsnut 8 und ist am freien Ende kegelstumpfartig ausgebildet.
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Die Gehäusekammer 3 wird in den Figuren nach unten hin begrenzt durch
eine ebene Verschiebefläche 9, auf der ein im wesentlichen scheibenförmiger Sperrkörper
10 gelagert ist. Wie insbesondere Figur 3 zeigt, besitzt der Sperrkörper 10 am Umfang
å jeweils im rechten Winkel zueinander angeordnete, leicht konische Lageröffnungen
11, in denen Federn 12 geführt und gelagert sind, die sich mit mechanischer Vorspannung
andererseits an der Kammerwand 13 abstützen. Der Sperrkörper 10 besitzt im Zentrum
einen kegelstumpfförmigen Mittelansatz 14 mit einer ebenen Sperrfläche 15. Das Gehäuse
ist z.B. mittels Schrauben 16 z.B.
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am Rahmen 17 eines Kraftfahrzeuges befestigt. In der Sperrstellung
der Schaltvorrichtung gemäß Figur 1 stützt sich eine -metallische Sperrkugel 18
auf der Sperrfläche 15 des Sperrkörpers 10 ab und ist im übrigen geführt in einer
Ausnehmung 19 in der Zwischenwand 4. In dieser Sperrstellung ragt ein Abschnitt
der Sperrkugel 18 in die Verschiebebahn des Schaltstößels 5, d.h. in die Stößelbahn
in dem Bereich, in dem sich die Umfangsnut 8 befindet. Damit stützt sich eine Kante
der Umfangsnut 8 an der Sperrkugel 18 ab derart, daß der Schaltstößel 5 in der Sperrstellung
verriegelt ist, in welcher Sperrstellung die Feder 7 vorgespannt ist. Der Abstand
zwischen Sperrfläche 15 und Stößelbahn ist
dabei so bemessen, daß
in der Sperrstellung der Mittelpunkt der Sperrkugel 18 außerhalb der Stößelbahn
liegt, so daß in dieser Stellung auf die Sperrkugel eine Kraft mit senkrechter Kraftkomponente
gerichtet ist. Auf diese Weise wird die Sperrkugel 18 sofort dann aus der Stößelbahn
gedrückt, wenn der Sperrkörper 10 aus der Stellung gemäß Figur 1 in die Stellung
gemäß Figur 2 verschoben wird. Diese Verschiebebewegung entgegen der Kraft der Zentrierfedern
12 erfolgt z.B. dann, wenn auf das Fahrzeug eine ein bestimmtes Maß übersteigende
Beschleunigung oder Verzögerung ausgeübt wird. Bei einer solchen Fahrzeugverzögerung
oder Fahrzeugbeschleunigung - also im Crashfalle - hat sich entsprechend Figur 2
der Sperrkörper 10 infolge seiner Masse in die rechte Lage bewegt und der kegelstumpfförmige
Mittelansatz 14 des Sperrkörpers 10 hat sich dabei soweit aus der sperrenden Mittellage
entfernt, daß die Sperrkugel 18 ungehindert nach unten fallen kann und damit den
Schaltstößel 5 augenblicklich freigibt. Durch entsprechende Dimensionierung der
Größe der Sperrfläche 15 läßt sich die Auslösezeit der Schalt vorrichtung beeinflussen.
Dadurch ist es möglich, daß z.B. be kurzen Schlägen oder Stößen der Sperrkörper
10 sich seitlich wegbewegt, ohne daß die Sperrkugel 18 ihre Sperrposition verläßt.
Hört die Beschleunigung oder Verzögerung auf, so wird über die Zentrierfedern 12
der Sperrkörper 10 wieder in seine sperrende Ausgangslage zurückbewegt. Die beim
Überfahren von Bordschwellen oder bei Reparaturarbeiten mrkommenden Beschleunigungen
oder Verzögerungen sind um ein Vielfaches höher als die Auslöseschwelle im Crashfalle.
Sie treten jedoch nur sehr kurzzeitig auf, so daß die Zeit nicht ausreicht, die
Schaltvorrichtung auszulösen. Die wesentlich niedrigere Auslöseschwelle, bei welcher
die Schaltvorrichtung im Crashfalle auslösen soll, steht um ein Mehrfaches länger
an, so daß der Verschiebeweg des Sperrkörpers 10 ausreicht, die Schaltvorrichtung
auszulösen bzw. zu aktivieren. Bildet man den Sperrkörper 10 sehr leichtgewichtig
aus, so daß es bei den am Fahrzeug vorkommenden Verzögerungen oder Beschleunigungen
infolge
Massenträgheit nicht mehr verschoben wird, so kann der Durchmesser der Sperrfläche
15 sehr klein gehalten werden. Mit der Freigabe des Schaltstößels 5 und dem Freiwerden
des Kraftspeichers in Form der Feder 7 erfolgt demnach eine Hubbewegung des Schaltstößels
in Richtung eines nachgeschalteten, zu betätigenden Schaltgliedes an sich z.B. in
Form eines pyrotechnischen Treibsatzes, der nach Zündung infolge Aufprallens des
Schaltstößels 5 einen Kraftspeicher eines Rückstrammsystems eines Sicherheitsgurtsystems
aktiviert. Selbstverständlich kann das nachgeschaltete Schaltglied 2 auch aus einem
mechanischen Schalthebel oder dgl. bestehen, der z.B. eine vorgespannte Feder im
Notfalle zum Auslösen bringt, welche Feder z.B. ein Eraftfahrzeug-Sichevheitssystem
aktiviert. Figur 2 zeigt die Schaltvorrichtung in ihrer aktivierten Stellung, wobei
sich der Stößelabstand zwischen Schaltstößel 5 und Schaltglied 20 wesentlich verringert
hat und das Stößelende sich kurz vor dem Aufschlagen auf dem Schaltglied 20 befindet.
Die Anordnung von vier Zentrierfedern 12 am Umfang des Sperrkörpers 10 ist vorteilhaft,
da auf diese Weise eine Rückstellung des Sperrkörpers 10 aus beliebiger Aussteuerlage
erfolgen kann.
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Selbstverständlich besteht auch die Möglichkeit hierfür weniger Federn
zu verwenden.
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In Figur 3 ist durch strichpunktierte Linienzüge eine Variante der
Schaltvorrichtung angedeutet. Hierbei ist mit 21 ein kleiner Stoßmagnet bezeichnet
mit Stößel 22, der in elektrischer Funktionsverbindung steht mit einer nicht näher
beschriebenen, allgemein mit 23 bezeichneten Sensoreinrichtung. Bei Überschreiten
einer bestimmten Auslöseschwelle wird über die Sensoreinrichtung 23 der Stoßmagnet
21 unter Strom gesetzt, der Stößel 22 trifft auf den Umfang des Sperrkörpers 10
auf und bewegt diesen seitlich weg, so daß die Sperrkugel 18 freigegeben wird. Hierbei
kann der Sperrkörper 10 sehr massearm ausgebildet sein.
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Beim Ausführungsbeispiel gemäß den Figuren 4, 5 und 6 stimmt die Funktionsweise
mit dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 bis 3 im wesentlichen überein. Hierbei
ist mit 24 ein aus Kunststoff bestehendes Gehäuse bezeichnet, das wiederum eine
Stößelbohrung 25 besitzt, in der ein Schaltstößel 26 gelagert ist. Durch eine Zwischenwand
27 ist die Stößelbohrung 25 wiederum abgetrennt von einer runden Gehäusekammer 28,
in der ein Sperrkörper 29 verschiebbar gelagert ist. Für die Lagerung des Sperrkörpers
29 dienen Kugeln 30, die in einem Kugelkäfig 31 gelagert sind, und die sich auf
einer Metallplatte 32 abstützen. In die runde Gehäusekammer 28 eingelegt ist ein
ringartiger Federkörper 33, der nach innen ragende, radiale Bederansätze 34 besitzt,
die sich mit Vorspannung an der Umfangsfläche des Sperrkörpers 29 abstützen und
dabei den Sperrkörper 29 zentrieren und in der sperrenden Mittelstellung halten.
Bei diesem Ausführungsbeispiel besitzt der Schaltstößel 26 wiederum eine verbreiterte
Umfangsnut 35, dessen an der Sperrkugel 18 sich abstützende Kante 36 schräg geneigt
ist entsprechend dem Winkel a. Hierdurch erfolgt die Anlage der Sperrkugel 18 am
Schaltstößel 26 unter dem Winkel a, der so abgestimmt ist, daß die richtige Auslöseschwelle
erreicht wird. Da die Sperrkugel 18 linienhaft bzw. punktförmig an der Gehäuseausnehmung
37 in der Zwischenwand 27 anliegt, ist es vorteilhaft, an dieser Stützstelle eine
Stahleinlage 38 vorzusehen, die, wie insbesondere Figur 6 zeigt, in eine Nut 39
im oberen Teil des Gehäuses 24 in die Stellung gemäß Figur 4 einschiebbar ist. Wie
Figur 4 zeigt, überragt diese Stahleinlage 38 die obere Begrenzung der Zwischenwand
27 und ragt in die Stößelbahn hinein. Sie dient damit dem Schaltstößel 26 als Hubanschlag
bzw. als Hubbegrenzung nach dem Auslösen der Schaltvorrichtung und nach dem Freiwerden
der Federkraft der Feder 7. Am freien vorderen Ende besitzt der Schaltstößel 26
eine Rille 40, in der ein Dichtring gelagert ist. In das Gehäuse einsetzbar z.B.
in eine Innenbohrung 42 einschraubbar ist ein
scheibenförmiger
Verschlußteil 43, der eine Ausdrehung besitzt, in welcher die Metallplatte 32 gelagert
ist. Im Verschlußteil 43 vorgesehen ist eine Ausnehmung 44, in dem ein Zentrierzapfen
45 mit seinem Bund 46 gelagert ist. Der Zentrierzapfen 45 ist in einer Lagerbohrung
47 der Metallplatte 32 gelagert und ist in eine Zentrierbohrung 48 in der unteren
Gleitfläche des Sperrkörpers 29 einsteckbar.
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Entsprechend besitzt selbstverständlich auch der Kugelkäfig 31 eine
entsprechende Bohrung 49. Im Anschluß an den Bund 46 besitzt der Zentrierzapfen
45 eine Erweiterung 50, der in der Stellung gemäß Figur 4 hinter einer vertieften
Rille 51 im Verschlußteil 43 verrastet. Durch axiales Verschieben in Figur 4 nach
oben gerät der Zentrierzapfen 45 in die Zentrierbohrung 48, womit der Zentrierkörper
29 arretiert ist. Auf diese Weise ist eine Montagesicherung gebildet, die verhindert,
daß beim Transport oder bei der Montage der Schaltvorrichtung versehentlich ein
Schaltvorgang ausgelöst wird. Nach der MOntage wird der Zentrierzapfen an einer
zylindrischen Handhabe 52 wiederum axial in Gegenrichtung verschoben, bis in die
in Figur 4 gezeigte Stellung, in der der Sperrkörper 29 freigegeben ist. Hierbei
besitzt der Zentrierzapfen 45 im Anschluß an die Handhabe 52 eine Sollbruchstelle
53, an der nach der erwähnten Entriegelung der Montage sicherung die Handhabe in
Höhe der unteren Gehäusebegrenzung d.h. der Begrenzung des Verschlußteils 43 abgetrennt
bzw. abgebrochen werden kann. Auf diese Weise sowie durch das Vorhandensein des
Dichtringes 41 werden die F1luk tionsteile der Schaltvorrichtung gegen schädliche
Einflüsse wie Staub und Feuchtigkeit geschützt.
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Ein zusätzlicher Schutz der beschriebenen Schaltvorrichtung gegenüber
äußeren kurzen Stößen oder dgl. z.B. bei Reparaturarbeiten erfolgt beim Ausführungsbeispiel
gemäß den Figuren 4 bis 6 dadurch, daß die gesamte Einheit gedämpft z.B.
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am Kraftfahrzeugrahmen 17 gelagert wird. Während bei Figur 4 das Gehäuse
24 über einen L-förmigen Bügel 54 unmittelbar
am Rahmen 17 befestigt
ist, ist gemäß Figur 5 ein am Rahmen 17 starr befestigter Haltering 55 vorgesehen,
der mit einer Ausnehmung 56 versehen ist, in der das Gehäuse 24 mit seitlichem Spiel
gelagert ist und zwar an einem elastischen Dämpfungsring 57. Entsprechend besitzt
das Gehäuse 24 am Umfang eine Rille 58, in die der Dämpfungsring 57 eingreift.
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Der Abstand b zwischen der Ausnehmung 56 und dem Gehäuse 24 ist so
groß, daß bei Stößen jedweder Art keine Berührung zwischen den vorgenannten Teilen
stattfindet. In Figur 5 ist noch strichpunktiert eine pyrotechnische Gaspatrone
59 angedeutet, die einen Mittelzünder aufweist. Zu diesem Zweck ist die Stirnseite
des Schaltstößels 26t als Kegelspitze 60 ausgebildet.
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