DE3733611A1 - Zweistufiger kraftbegrenzer mit progresssiver kennlinie - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Kraftbegrenzer mit zweistufigem Kraftbegrenzungsniveau und progressiver Kennlinie. Während der Anfänge der Sicherheitsgurte sind verschiedentlich Kraftbegrenzer, bzw. Energieabsorber zum Einsatz gekommen. Derartige Vorrichtungen haben den Sinn, die im Unfall auf den Insassen einwirkende Belastung auf ein niedriges (leichter ertragbares) Niveau zu senken. Dies ist jedoch nur über einen Kraftbegrenzungsweg möglich, was eine zusätzliche Vorwärtsverlagerung der Insassen bedingt.

Mit der Einführung ernst zu nehmender Zulassungsvorschriften für Sicherheitsgurte, z. B. der ECE R 16 im Jahre 1974, verschwanden die Kraftbegrenzer wieder vom Markt. Es wurden nämlich max. zulässige Vorverlagerungswege für den Insassen (Brust 30 cm, Becken 20 cm) vorgeschrieben, um den sehr nachteiligen Aufprall auf das Lenkrad und das Armaturenbrett zu verhindern. Somit galt es seinerzeit, alle Möglichkeiten einer übermäßigen Vorverlagerung für den Insassen im Sicherheitsgurt zu eleminieren. Die Kraftbegrenzer verschwanden sofort und die Dehnung des Gurtbandes wurde reduziert. Die weiteren Entwicklungen auf diesem Wege waren der Gurtstraffer, um auch die mögliche Gurtlose zu eleminieren und der Gurtklemmer, um den Filmspuleneffekt des Aufrollers unwirksam zu machen.

Gurtstraffer, Gurtklemmer, ein niedrigdehnendes Gurtband (6%) und eine optimierte Gurtgeometrie (z. B. Schloß am Sitz, höherverstellbarer Umlenkpunkt) ergeben heutzutage derart effiziente Sicherheitsgurte mit einem derart guten Rückhalteeffekt, daß sich bei den gesetzlich vorgeschriebenen Crashversuchen der Kopf des Dummies im Moment der maximalen Vorverlagerung noch etwa 150 mm bis 200 mm vom Lenkrad entfernt befindet.

Diese enorme Verbesserung des Sicherheitsgurtes erlaubt heute erneut den Einsatz eines Kraftbegrenzers, und zwar ganz definiert auf einem Verschiebeweg von etwa 100 mm, um den Kopfaufprall auf das Lenkrad noch sicher zu vermeiden.

Die im Stand der Technik bekanntgewordenen Kraftbegrenzer mit konstantem Kraftbegrenzungsniveau ergeben jedoch eine unbefriedigende Wirkung in einem Sicherheitsgurt, da einmal unterschiedlich schwere Insassen (Masse) abzufangen sind und andererseits die Unfallschwere völlig unterschiedlich ausfallen kann (Beschleunigung). Die auf das Gurtsystem wirkenden Kräfte nach der Formel Kraft = Masse × Beschleunigung ergeben in der Praxis also ein breites Spektrum.

Ein Kraftbegrenzer mit konstantem Kraftbegrenzungsniveau wird sinnvollerweise für schwerere Unfälle ausgelegt, z. B. auf einem Niveau von 7 kN, was dann von einem 50%-Dummy bei einem 50 km/h-Aufprall bestimmungsgemäß erreicht wird. Leichtere Personen kommen dann also nicht in den Genuß der Kraftbegrenzung und auch bei leichten bis mittelschweren Unfällen wird der Kraftbegrenzer nicht aktiviert. Schwerere Personen hingegen laufen Gefahr, am Ende des genutzten Gurtbegrenzungsweges, also am Anschlag, eine Belastungsspitze zu erleiden.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine rein mechanische und im konstruktiven Aufbau einfach gestaltete, vor allem flach bauende, zweistufige Klemmvorrichtung zu schaffen, die unterschiedliche Kraftbegrenzungsniveaus für leichtere und schwere Unfälle realisiert, wobei die beiden Stufen in Abhängigkeit von der Auslösung eines Gurtstraffers und/oder eines Gurtklemmers gesteuert werden, und daß das Kraftbegrenzungsniveau zusätzlich in Abhängigkeit des Insassengewichtes steuerbar gehalten wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichnungsteil des Patentanspruchs 1, 8 und 10 angegebenen Maßnahmen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgenden Patentansprüchen.

Durch den Anstieg des Kraftbegrenzungsniveaus über der Aktivierungszeit, also durch die Progressivität der Kennlinie, kommen mehr Insassen mit unterschiedlichem Gewicht in den Genuß der Belastungsreduzierung. Nimmt man einen Kraftbegrenzer des Standes der Technik, z. B. aus der DE-OS 22 45 249 (Fig. 1) mit einem konstanten Kraftniveau, so können bei einer bestimmten Crashverzögerung nur die Insassen an der energieabsorbierenden Kraftbegrenzung partizipieren, die aufgrund ihrer Masse eine Gurtkraft oberhalb des Kraftbegrenzungsniveaus erzeugen. Alle leichteren Insassen erreichen das Auslösungsniveau des Kraftbegrenzers nicht. Hier schafft der erfindungsgemäße Kraftbegrenzer mit einer progressiven Kennlinie Abhilfe, indem er mit einem relativ niedrigen Niveau beginnt. Somit kommen auch leichtere Insassen in den Genuß einer Kraftbegrenzung. Die zwar nur auf einem kurzen Aktivierungsweg, da sie ja auch schnell an die Progressivität stoßen, aber es reicht aus, um die Belastungsspitze abzubauen. Am Ende der Kennlinie erfolgt ein starker Anstieg der Kennlinie, um auch bei schweren Insassen ein Fahren gegen den Anschlag mit den unweigerlichen Kraftspitzen zu vermeiden. Dies kann z. B. durch zusätzliche Stoßdämpfer auf den letzten 15 mm des Aktivierungsweges erreicht werden.

Der Ausnutzungsgrad des Kraftbegrenzers wird ganz wesentlich dadurch verbessert, indem er für unterschiedlich schwere Unfälle ausgelegt wird. Das heißt, daß ein niedriges Kraftniveau für leichtere bis mittlere Unfälle (z. B. bis etwa 10 g Crashverzögerung) permanent vorhanden ist und ein höheres Kraftniveau für schwere Unfälle (z. B. ab 10 g) zugeschaltet wird. Die Sensor- und Auslösemechanik für die Zuschaltung, bzw. Umschaltung auf das höhere Kraftbegrenzungsniveau kann sinnvollerweise von anderen, dafür prädestinierten Sicherheitsgurtelementen vorgenommen werden. Es bietet sich dafür der Gurtstraffer an, der ab etwa 10 g aktiviert wird.

Durch die Progressivität der Kennlinie kommt eine größere Anzahl von Insassen in den Genuß der Kraftbegrenzung und durch die Zweistufigkeit des Kraftniveaus wird ein größerer Bereich von Unfällen (Crashverzögerung) abgedeckt, in denen eine Kraftbegrenzung wirksam wird.

Die Abstimmung des Kraftbegrenzungsniveaus auf das Gewicht der Insassen kann noch individueller angepaßt werden, indem über einen Sensorschalter im Sitzkissen das Gewicht des Insassen registriert wird und ab einer bestimmten Masse die Kraftbegrenzungsvorrichtung auf ein noch höheres Kraftniveau eingestellt wird. Dadurch wird der Anwendungsbereich des Kraftbegrenzers noch mehr erweitert und zugleich verfeinert.

Der Erfindungsgedanke, die Umschaltung des Kraftbegrenzers auf ein höheres Kraftniveau an die Auslösung des Gurtstraffers zu koppeln, bietet eine weitere, sehr sinnvolle Gestaltung der Zweistufigkeit.

Die Einschaltung des Gurtstraffers bedeutet ja eine effektvollere Rückhaltung der Insassen, so daß die Vorverlagerung reduziert wird. Dieser gewonnene Weg kann ja dann vorteilhaft für eine kontrolliert- definierte Kraftbegrenzung genutzt werden. Das heißt, daß sich an den Kraftbegrenzungsweg für kleinere Unfälle ohne Gurtstraffung direkt der Kraftbegrenzungsweg für schwerere Unfälle mit Gurtstraffung anschließt. Im Gegensatz zu der eingangs geschilderten Art der Zweistufigkeit, die parallel geschaltet ist, handelt es sich hierbei um eine Serienschaltung.

In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.

Es zeigt

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung des Kraftbegrenzers mit zweistufigem Kraftbegrenzungsniveau (Parallelschaltung),

Fig. 2 der Kraftbegrenzer innerhalb einer sinnvollen Sicherheits­ gurtkombination,

Fig. 3 die Kennlinien bei Parallelschaltung,

Fig. 4 die Kennlinien bei Serienschaltung,

Fig. 5 eine Prinzipdarstellung des Kraftbegrenzers mit zweistufigem Kraftbegrenzungsweg (Serienschaltung).

Die Fig. 1 zeigt eine Kraftbegrenzungsvorrichtung 1, bei der in der unteren Ausgangsstellung der Gurtklemmer 60 mit zwei Befestigungsschrauben 6 in Langlöchern 2 angeordnet ist, die schmaler sind als der Durchmesser der Schrauben 6. In einem Unfall mittlerer Schwere, wenn der Insasse auf den Gurt 10 eine Kraft ausübt, so wird der blockierte Gurtklemmer 60 nach oben belastet, wie aus der Fig. 2 zu entnehmen ist. Liegt die Gurtauszugskraft über dem Auslöseniveau Nu von z. B. 4 kN, (siehe Fig. 3) so quetschen sich die Schrauben 6 in den Langlöchern unter Leistung von Formänderungsarbeit nach oben, solange, bis die Energie aufgezehrt ist. Das wird in der Regel auf einem Teilweg des insgesamt zur Verfügung stehenden Aktivierungsweges l₂ von beispielsweise 100 mm der Fall sein. Der Gesamtweg l₂ wird normalerweise auch deswegen nicht voll ausgenutzt, weil die Kennlinie Nu progressiv verläuft, so daß das Gleichgewicht zwischen Gurtkraft und Widerstand in der Kraftbegrenzungsvorrichtung 1 vorzeitig erreicht wird. Auf jeden Fall aber ist die Kraftspitze durch Energieabsorption abgebaut worden. Der Anstieg der Kennlinie Nu (Fig. 3) wird durch eine keilförmige Deformationsöffnung 5 erreicht, die bewirkt, daß die Formänderungsarbeit mit zunehmendem Weg l₂ größer wird.

In einem schwereren Unfall, z. B. über 10 g Verzögerung, wird in der Kraftbegrenzungsvorrichtung 1 eine zweite Stufe mit einem höheren Kraftbegrenzungsniveau No eingeschaltet. Über 10 g wird der Gurtstraffermotor 20 aktiviert, der aus einer mit Sensorfedern beaufschlagten Kupplungsscheibe besteht, die in eine Kupplungsscheibe der Kardanwelle 21 einrastet und somit von den Restdrehungen mitgenommen wird. (Siehe Fig. 2). Ein Zugseil 30 wird dabei auf die Kupplungsscheibe aufgewickelt. Über den Aufroller 40 wird es zu einem Gurtgreifer 50 umgelenkt, der das Gurtband 10 nach unten reißt und somit um den Insassen strafft.

Der Gurtgreifer 50 ist mit einem Halter 11 versehen, an dem ein Seil 8 befestigt ist, was zur Klemmvorrichtung 1 führt. Das Seil 8 ist dort mit einem Schieber 3 verbunden, der also gleichzeitig mit der Gurtstraffung in der Nut 4 nach unten gezogen wird. Dabei wird ein Sollbruchstift 12 zerstört. Durch das Einfahren des Schiebers 3 in die Nut 4 wird die Verformungsfähigkeit der Langlöcher reduziert. Das Hochquetschen der Schrauben 7 in den Langlöchern 2 findet auf einem höheren Kraftniveau No statt, das in der Fig. 3 beispielsweise bei 6 kN beginnt und somit 50% höher liegt als bei einem leichten bis mittleren Unfall unter 10 g Crashverzögerung.

Um das Problem der unterschiedlichen schweren Insassen, die ja im Unfall auch unterschiedliche hohe Gurtkräfte erzeugen, noch individueller lösen zu können, ist erfindungsgemäß vorgesehen, auch eine Zweistufigkeit in Abhängigkeit vom Insassengewicht zu schaffen. Also für leichtere Insassen, z. B. bis 80 kg ein niedrigeres Kraftbegrenzungsniveau als für schwerere Insassen über 80 kg. Die Gewichtssensierung kann über einen Schalter im Sitzkissen ausgelöst werden, der auf den Einfederungsweg reagiert. Sitzt eine entsprechend schwere Person auf dem Sitz, so wird über ein geeignetes Stellglied (z. B. Hubmagnet) ein Kunststoffkörper 13 in die Deformationsöffnungen 5 eingefahren, die den Widerstand bei der Formänderungsarbeit erhöhen.

In der Fig. 3 sind die beiden Kennlinien No und Nu für schwere Insassen gestrichelt dargestellt. Ihr Kraftniveau liegt etwa 25% höher als für leichtere Insassen.

Auf den letzten 15% des Aktivierungsweges l₂, in dem Bereich X, steigen die Kennlinien stark an. Dies wird durch zusätzliche Stoßdämpfer 15 erreicht, die am Ende der Langlöcher eingesetzt sind. In der Praxis werden sie nur in Extremfällen beansprucht, wenn sehr schwere Insassen in einen sehr schweren Unfall geraten. Die Stoßdämpfer 15 vermeiden einen harten Anschlag der Schrauben 6 und somit eine unangenehme Belastungsspitze.

Bei leichteren Unfällen steht ein begrenzter Aktivierungsweg l₂ von z. B. 50 mm zur Verfügung, wie aus der Fig. 4 hervorgeht. Erfolgt eine Gurtstraffung, weil ein schwererer Unfall eingetreten ist, so wird über ein Seil 8 b ein Stützkeil 16 nach unten gerissen, der zwei unter Zugspannung (Feder 18) stehende Stützhebel 17 freigibt. Für die Formänderungsarbeit zur Kraftbegrenzung steht der gesamte Aktivierungsweg l₂ zur Verfügung, z. B. 150 mm gem. Fig. 4. Selbstverständlich lassen sich auch hier unterschiedliche Kennlinienverläufe realisieren, z. B. bei schweren Insassen.

Claims (12)

1. Kraftbegrenzer zur Reduzierung der im Unfall auf einen Insassen einwirkenden Gurtbelastung mittels einer Energiewandlung über einen Aktivierungsweg, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung des Kraftbegrenzers (1) mit Mitteln (2, 3, 4, 5, 6) versehen ist, die bei Unfällen mit niedrigem Crashimpuls (z. B. bis 10 g) eine Kraftbegrenzung auf niedrigem Niveau (z. B. ab 4 kN) und bei Unfällen mit höherem Crashimpuls (z. B. 10 g) eine Kraftbegrenzung auf höherem Niveau (z. B. ab 6 kN) ablaufen läßt.

2. Kraftbegrenzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das niedrige Kraftbegrenzungsniveau permanent aktivierbar ist und das höhere Kraftbegrenzungsniveau in der Vorrichtung (1) über Mittel (3, 4) realisiert wird, die nach der Auslösung einer Sensor- und Kraftentfaltungsvorrichtung (20) zugeschaltet werden.

3. Kraftbegrenzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftbegrenzungsverlauf (Nu, No) über dem Aktivierungsweg (l₂) ansteigend (progressiv) verläuft und auf den letzten 15% des Aktivierungsweges (l₂) Zusatzstoßdämpfer (15) vorgesehen sind.

4. Kraftbegrenzer nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Kraftbegrenzer (1) die zweite Stufe mit dem höheren Kraftbegrenzungsniveau gleichzeitig mit der Aktivierung eines Gurtstraffers (20, 30, 50) und/oder einer Klemmvorrichtung (60) zugeschaltet wird.

5. Kraftbegrenzer nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftbegrenzung über Formänderungsarbeit bewerkstelligt wird, dergestalt, daß Befestigungsschrauben (6) in Langlöchern (2) aufweitend verschoben werden.

6. Kraftbegrenzer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der ansteigende (progressive) Kennlinienverlauf (Nu, No) durch einen ansteigenden Widerstand gegen die Formänderungsarbeit auf dem Aktivierungsweg (l₂) erreicht wird.

7. Kraftbegrenzung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die ansteigende Formänderungsarbeit über Langlöcher (2) und keilförmige Deformationsöffnungen (5) in einer Befestigungsplatte (9) realisiert wird, wodurch sich für die quetschend verfahrbaren Befestigungsschrauben (6) über dem Aktivierungsweg (l₂) ein zunehmender Arbeitswiderstand aufbaut.

8. Kraftbegrenzer zur Reduzierung der im Unfall auf einen Insassen einwirkenden Gurtbelastung mittels einer Energieumwandlung über einen Aktivierungsweg, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftbegrenzungsvorrichtung (1) mit Mitteln versehen ist, die das Kraftbegrenzungsniveau (Nu, No) in Abhängigkeit vom Insassengewicht verlagert.

9. Kraftbegrenzer nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß über einen Sensor im Sitz gesteuert und über ein Stellglied ausgeführt ein Kunststoffkörper (13) in die Deformationsöffnung (5) einführbar ist, wodurch der Verschiebewiderstand der Befestigungsschrauben (6) in den Langlöchern (2) erhöht wird.

10. Kraftbegrenzer zur Reduzierung der im Unfall auf einen Insassen einwirkenden Gurtbelastung mittels einer Energiewandlung über einen Aktivierungsweg, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftbegrenzungs-Vorrichtung (1 b) mit Mitteln (14) versehen ist, die den Kraftbegrenzungsweg (l₂) im Zusammenhang mit der Aktivierung eines Gurtstraffers (20, 50) in einem schweren Unfall (z. B. ab 10 g) in einer zweiten Stufe verlängern (+l₂).

11. Kraftbegrenzer nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Verlängerung des Kraftbegrenzungsweges (+l₂) dadurch bewerkstelligt wird, daß eine Wegbegrenzungsvorrichtung (14) bei Aktivierung eines Gurtstraffers (20, 50) über ein Seil (8 b) in eine deaktivierte Stellung verfahren wird.

12. Kraftbegrenzer nach den vorangegangenen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Energiewandlung über eine Befestigungsplatte als flach bauendes Element realisiert wird und an der der Gurtklemmer (60) verschiebbar befestigt ist.