DE4327098A1 - Ventilanordnung für einen Gasdruckspeicher - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Ventilanordnung für einen Gasdruckspeicher nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, wie sie insbesondere innerhalb eines Airbag-Systems, beispiels­ weise für den Beifahrer eines Kraftfahrzeugs, Verwendung findet.

Solche Ventilanordnungen dienen allgemein dazu, auf eine Anfor­ derung hin durch schlagartiges Öffnen der Dichtscheibe das rasche Ausströmen des Gases vom Druckspeicher in einen mit dem Gas zu befüllenden Raum zu ermöglichen, und werden beispiels­ weise in Airbag-Systemen eingesetzt. Eine derartige Anordnung für ein Airbag-System ist in der DE P 41 06 716 A1 offenbart. Um die Ausströmcharakteristik des vom Druckspeicher in den zu­ nächst leeren Luftsack ausströmenden Gases beeinflussen zu können, enthält der dortige, von einem pyrotechnischen System antreibbare Druckstift im Bereich seiner durchstoßenden Stirn­ seite einen an die Sollbruchzone anschließenden und sich zum Behälterinneren erstreckenden Steuerkörper, dessen Querschnitt sich in Axialrichtung des als Kolbenstange ausgebildeten Druck­ stifts derart ändert, daß sich der gesamte, zwischen der ent­ stehenden Dichtscheibenöffnung und dem Steuerkörperumfang ge­ bildete, ringförmige Ausströmquerschnitt bevorzugt als Funktion der Ausströmdauer stetig vergrößert, wobei bekanntermaßen ein S-förmiger Kennlinienverlauf im Luftsackdruck-Ausströmzeit- Diagramm erwünscht ist. Der dort zusätzlich zum Druckstift vor­ gesehene und an diesem gehaltene oder mit diesem einstückige Steuerkörper stellt eine radiale Erweiterung des Druckstiftes dar, wobei gleichzeitig die Dichtscheibe als integraler Teil des Steuerkörpers an dessen in Stoßrichtung gelegenes Stirnende angeformt ist. Hierbei bildet die Sollbruchzone die Umrandung des vorderen Stirnendes des Steuerkörpers und grenzt diesen von einem radial äußeren Ringflansch ab, mittels dem der Steuerkör­ per an einer Druckspeicherwandung festgelegt ist.

Bei einer aus der DE-OS 21 20 042 bekannten Ventilanordnung ist eine den Druckspeicher verschließende Dichtscheibe von einem als Bolzen ausgebildeten Druckstift durchstoßbar, der in einem axialen Führungskanal mit gegenüber dem Bolzenschaft­ durchmesser deutlich größerem Durchmesser verschiebbar ist. Der Druckstift ist an seinem an das die Dichtscheibe durchstoßenden Stirnende angrenzenden Bereich als geschlossener, kreisrunder Zylinder ausgebildet, so daß unabhängig von der Eindringstel­ lung des Druckstifts eine kreisringförmige Ausströmöffnung mit konstantem Querschnitt gebildet ist. Eine Sollbruchzone ist dort nicht vorgesehen, statt dessen ist die Dichtscheibe ver­ hältnismäßig dünnwandig ausgebildet.

Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstellung einer Ventilanordnung der eingangs genannten Art für einen Druckspeicher zugrunde, die mit geringem Konstruktionsaufwand zuverlässig eine Gasausströmung aus dem Druckspeicher mit einer gewünschten, definierten Ausströmcharakteristik erlaubt.

Dieses Problem wird durch eine Ventilanordnung mit den Merk­ malen des Patentanspruchs 1 gelöst. Das Vorsehen des einen oder der mehreren Ausströmkanäle am Druckstift selbst hält den kon­ struktiven Aufwand gering, wobei sich im Zusammenwirken mit der mittels einer Sollbruchzone definiert festgelegten Dichtschei­ benöffnung nach Durchstoßen der Dichtscheibe durch den Druck­ stift eine durch die Gestaltung des oder der Ausströmkanäle genau festlegbare Ausströmcharakteristik erzielen läßt, wie sie beispielsweise für ein Airbag-System erwünscht ist. Die Anord­ nung eines zusätzlichen strömungsleitenden Teils entfällt. Der gesamte Ausströmquerschnitt ist durch den engen Ringspalt zwi­ schen Druckstift und Dichtscheibenöffnung sowie dem oder den Ausströmkanälen bestimmt.

In konstruktiv vorteilhaften Weiterbildungen der Erfindung nach Anspruch 2 oder 3 sind als Ausströmkanäle halboffene Kanäle am Außenumfang des Druckstifts und/oder Hohlkanäle im Druckstift vorgesehen.

Für ein hinsichtlich der Kräfteverteilung günstiges, symmetri­ sches Ausströmen des Gases ist es in weiterer Ausgestaltung der Erfindung günstig, wenn mehrere halboffene Kanäle am Außenum­ fang des Druckstifts gleichmäßig über den Umfang verteilt ange­ ordnet sind.

Bevorzugt erweitert sich der Querschnitt der Ausströmkanäle mit zunehmender Entfernung vom stoßenden Stirnende des Druckstifts, da sich damit eine S-förmige Druckverlauf-Ausströmzeit-Kenn­ linie erreichen läßt, bei der zunächst weniger und dann in einem S-förmigen Kurvenverlauf immer mehr Gasdurchsatz erzielt wird. Dies macht bei einem Airbag-System ein weiches Anblasen zum Entfalten des zunächst leeren, gefalteten Luftsacks zu Be­ ginn des Ausströmvorgangs möglich, bevor dann der entfaltete Luftsack schnellstmöglich voll aufgeblasen wird.

Die Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 6 bringt kon­ struktive und montagetechnische Vorteile, da sich die Dicht­ scheibe unabhängig vom Druckstift und damit von dem meist mit diesem verbundenen pyrotechnischen System an einer Druckspei­ cherwandung festlegen läßt, z. B. durch Verschweißen, wonach dann erst die Positionierung des Druckstifts bzw. des diesen beinhaltenden pyrotechnischen Systems erfolgt.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist in den Zeich­ nungen dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.

Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch eine Ventilanordnung für einen Airbag-Druckspeicher und

Fig. 2 einen Querschnitt längs der Linie II-II der Fig. 1.

Die in den Figuren dargestellte Ventilanordnung ist Teil eines nicht näher gezeigten Airbag-Systems, das einen integriert an­ geordneten, nur ausschnittweise gezeigten Gasdruckspeicher (15) zum Befüllen des nicht explizit gezeigten Luftsacks beinhaltet. Wie bei solchen Ventilanordnungen für Airbag-Systeme üblich, ist der Druckspeicher (15) mit einem Verschluß versehen, der schlagartig, z. B. nach Detektion eines Fahrzeugaufpralls, ge­ öffnet werden kann, wobei hier dieser Verschluß aus einer in eine Druckspeicherwandung (7) eingelassene und an diese rand­ seitig angeschweißte Dichtscheibe (8) besteht.

Zur Bewerkstelligung dieses schlagartigen Öffnens der Dicht­ scheibe (8) besitzt die gezeigte Ventilanordnung ein Hubelement in Form eines Druckstifts (1) und ein diesen treibendes pyro­ technisches System mit einem über Zündkabel (12) ansteuerbaren Zünder (4) und einer von diesem zündbaren Treibladung (3), die in einer Kammer (13) innerhalb eines Gasgeneratorgehäuses (2) angeordnet ist. Das Gasgeneratorgehäuse (2) ist in einen dem Wandungsabschnitt (7), der die Dichtscheibe (8) enthält, gegen­ überliegenden Wandungsabschnitt (5) des Druckspeichers dicht eingefügt. Das Gasgeneratorgehäuse (2) weist eine von der Treibladungskammer (13) herausführende Bohrung (14) auf, in die passend der Druckstift (1) verschieblich eingefügt ist. Der Druckstift (1) ragt hierbei aus dem Gasgeneratorgehäuse (2) heraus und in den Druckspeicher (15) hinein und liegt mit sei­ ner der Treibladungskammer (13) abgewandten Stirnseite (11) gegen die Dichtscheibe (8) an. Diese Druckstiftstirnseite (11) ist hierbei mit einer Seite eines Bruchbereichs (9) der Dicht­ scheibe (8) in Kontakt, der durch eine Sollbruchzone (10) defi­ niert ist, die aus zwei beidseits in die Dichtscheibe (8) ein­ gebrachten Ringnuten besteht. Der Durchmesser dieser Ringnuten (10) ist hierbei nur geringfügig größer gewählt als der Durch­ messer des Druckstiftes (1). Auf seiner der Dichtscheibe (8) zugewandten Hälfte ist der Druckstift (1) an seinem Außenumfang mit vier gleichmäßig über den Umfang verteilten Ausströmkanälen (6) versehen, die als im Querschnitt etwa halbkreisförmige, radial nach außen offene Längsnuten geformt sind und an der mit der Dichtscheibe (8) in Kontakt stehenden Druckstiftstirnseite (11) ausmünden sowie im axial mittleren Druckstiftbereich aus­ laufen, wie aus Fig. 1 hervorgeht.

Die Funktion der Ventilanordnung bei einer Anforderung zur Luftsackbefüllung ergibt sich wie folgt.

Die Anforderung wird über einen entsprechenden Spannungsimpuls an den Zünder (4) geleitet, wodurch dieser die Treibladung (3) zündet. Die resultierende schlagartige Druckerhöhung in der Treibladungskammer (13) stößt den Druckstift (1) entlang der führenden Bohrung (14) nach außen, d. h. gegen den Bruchbereich (9) der Dichtscheibe (8). Der solchermaßen als pyrotechnisch angetriebenes Hubelement dienende Druckstift (1) durchstößt die Dichtscheibe (8), indem er deren Bruchbereich (9), gegen den er mit seiner stoßenden Stirnseite (11) anliegt, entlang der Sollbruchzone (10) abtrennt und nach außen stößt. Dieses Abtrennen des Bruchbereichs (9) ergibt eine mittige, kreisför­ mige Öffnung innerhalb der Dichtscheibe (8) entsprechend der beiderseitigen kreisförmigen Sollbruch-Ringnuten (10). Da der Durchmesser des kreisförmigen Bruchbereichs und damit der nach dessen Abtrennung gebildeten Dichtscheibenöffnung geringfügig größer als derjenige des Druckstiftes (1) ist, wie insbesondere aus Fig. 2 hervorgeht, folgt der Druckstift (1) unmittelbar dem Hinausdrücken des Bruchbereichs (9) und dringt in die gebildete Öffnung ein. Sobald der Bruchbereich (9) vollständig vom rest­ lichen Dichtscheibenbereich abgetrennt ist, strömt das im Druckspeicher (15) befindliche, unter Druck stehende Gas nach außen in den angrenzenden, nicht gezeigten Luftsack, d. h. in Fig. 1 nach unten, aus, und zwar durch die vom Zwischenraum zwischen dem verbliebenen Dichtscheibenring und dem Druckstift (1) gebildete Ausströmöffnung.

Diese Ausströmöffnung ist folglich als im Querschnitt kreis­ ringförmiger, sehr enger Spalt gebildet, der um die halboffenen Ausströmkanäle (6) erweitert ist, die den weit überwiegenden Teil des Ausströmquerschnitts bereitstellen. Da der Druckstift (1) im Verlauf der Durchstoßbewegung immer weiter in die durch Abtrennen des Bruchbereichs (9) gebildete Dichtscheibenöffnung eindringt, ist zu unterschiedlichen Zeitpunkten jeweils ein anderer axialer Bereich des Druckstifts (1) und damit der Aus­ strömkanäle (6) für die Definition des momentanen Ausströmquer­ schnitts maßgebend, nämlich stets gerade derjenige Bereich, der sich zum jeweiligen Zeitpunkt innerhalb des gebildeten Dicht­ scheibenrings befindet.

Aufgrund dieser Tatsache läßt sich durch gezielte Gestaltung der Querschnitte der Ausströmkanäle (6), insbesondere der ge­ zielten Veränderung dieser Querschnitte längs eines jeden Kanals (6) eine gewünschte Ausströmcharakteristik erreichen. Um bevorzugterweise eine S-förmige Luftsackdruck-Ausströmzeit- Kennlinie für das Airbag-System zu erreichen, sind die Aus­ strömkanäle (6) mit einem von der stoßzugewandten Druckstift­ stirnseite (11) zu dessen Mitte hin sich vergrößerndem Quer­ schnitt ausgestaltet, so daß zu Beginn des Ausströmvorgangs weniger Gas pro Zeiteinheit und dann einem S-förmigen Kurven­ verlauf folgend zunehmend mehr Gas pro Zeiteinheit aus dem Druckspeicher (15) durch die gebildete Ausströmöffnung in den Luftsack gelangt. Mit dieser Maßnahme wird letzterer zunächst sanft entfaltet und dann schnellstmöglich vollständig aufge­ blasen.

Es versteht sich, daß naheliegende Modifikationen der oben be­ schriebenen Ventilanordnung zur reproduzierbaren Beeinflussung der Kennlinie zur Befüllung des Luftsacks im Rahmen der Erfin­ dung möglich sind. Insbesondere kann ein Druckstift vorgesehen werden, bei dem zusätzlich oder anstatt der gezeigten, am Außenumfang axial verlaufenden Kanäle innere Bohrungen als Aus­ strömkanäle angeordnet sind, die einerseits ebenfalls an der stoßzugewandten Druckstiftstirnseite und andererseits mit einer mit radialer Komponente verlaufenden Quermündung in einer be­ stimmten axialen Höhe des Druckstifts, z. B. in dessen axial mittigem Bereich, an dessen Außenumfang ausmünden. Auch bei Verwendung solcher Bohrungen als Gasüberströmkanäle zur Verbin­ dung des Druckspeichers mit dem Luftsack nach dem Durchtrennen der Dichtscheibe können die Bohrungen mit einer gewünschten Querschnittsveränderung entlang ihres axialen Verlaufs ausge­ staltet sein.

Eine gezielte Veränderung des Ausströmquerschnitts als Funktion der axialen Position des Druckstifts bezüglich der Dichtschei­ benöffnung ist des weiteren durch eine Ausgestaltung möglich, bei der Ausströmkanäle vorgesehen sind, die in verschiedener axialer Höhe des Druckstifts enden, ober bei der zusätzlich im wesentlichen axial verlaufende Ausströmkanäle am Druckstift ausgebildet sind, die sich nicht bis zur stoßzugewandten Druck­ stiftstirnseite erstrecken, sondern mit Abstand zu dieser am Außenumfang des Druckstifts ausmünden, so daß sie noch nicht zu Beginn, sondern erst im späteren Verlauf des Ausströmvorgangs als zusätzliche Kanäle zur Gasausströmung zur Verfügung stehen.

Schließlich ist es statt der gezeigten Anordnung ohne weiteres möglich, den Druckstift samt seiner pyrotechnischen Ansteuerung außerhalb des Druckspeichers im Bereich des auf Anforderung mit Gas zu befüllenden Raumes anzuordnen.

Claims (6)

1. Ventilanordnung für einen Gasdruckspeicher, insbesondere eines Airbag-Systems, mit

• - einer den Druckspeicher (15) verschließenden Dichtscheibe (8), die einen von einer Sollbruchzone (10) definierten Bruchbereich (9) beinhaltet, und
• - einem Druckstift (1), der mit einer Stirnseite (11) der Bruchfläche (9) gegenüberliegt und schlagartig in seiner Axialrichtung unter Durchstoßen der Dichtscheibe (8) durch Abtrennung ihres Bruchbereichs (9) längs der Sollbruchzone (10) und Durchdringen der so gebildeten Dichtscheibenöff­ nung bewegbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß
• - der Druckstift (1) mit einem oder mehreren, im wesentli­ chen axial verlaufenden Ausströmkanälen (6) versehen ist, die an seiner den Bruchbereich (9) beaufschlagenden Stirn­ seite (11) ausmünden und deren axiale Länge größer ist als die Dicke der Dichtscheibe (8).

2. Ventilanordnung nach Anspruch 1, weiter dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Teil der Ausströmkanäle als Hohlkanalboh­ rungen im Inneren des Druckstiftes (1) ausgebildet ist.

3. Ventilanordnung nach Anspruch 1 oder 2, weiter dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Teil der Ausströmkanäle als halboffene Kanäle (6) am Außenumfang des Druckstiftes (1) ausgebildet ist.

4. Ventilanordnung nach Anspruch 3, weiter dadurch gekennzeichnet, daß mehrere gleichartige, halboffene Ausströmkanäle (6) gleich­ mäßig über den Außenumfang des Druckstiftes (1) verteilt ange­ ordnet sind.

5. Ventilanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, weiter dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des oder der Ausströmkanäle (6) mit zuneh­ mender Entfernung von der den Bruchbereich (9) beaufschlagenden Druckstiftstirnseite (11) stetig zunimmt.

6. Ventilanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, weiter dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtscheibe (8) als ein vom Druckstift (1) getrenntes Bauteil gebildet ist.