KR100472249B1 - 안전 벨트 리트랙터 - Google Patents

안전 벨트 리트랙터 Download PDF

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Abstract

안전 벨트 리트랙터(retractor)(20)내의 비틀림 바아(50)는 원형 단면을 갖는다. 비틀림 바아는 바아의 중앙부에서 비틀림 바아의 축방향으로 정렬된 결정 구조 및 비틀림 바아의 단부 형성부(52a, 52b) 가까이에서 축방향으로 매끄럽게 갈라지는 결정 구조를 갖는 냉간 헤드 형성된 부분으로 형성된다. 안전 벨트 리트랙터는 비틀림 바아 및 중공 스풀(30)을 회전식으로 지지하는 프레임(22)을 포함한다. 비틀림 바아(50)는 탄성 변형 영역 및 소성 변형 영역내로의 날카로운 온셋(onset)을 특징으로 한다. 스풀은 비틀림 바아와 회전한다. 또한, 리트랙터는 차량 충돌 동안에 작동되어 비틀림 바아의 일 측면이 회전하는 것을 방지하는 반면 차량 탑승자에 의해 일단 하중이 가해지면 나머지 한 측면 및 스풀이 회전식으로 비틀림 바에 링크되는 체결 장치를 포함한다.

Description

안전 벨트 리트랙터{SEAT BELT RETRACTOR WITH TORSION BAR}
본 발명은 일반적으로 에너지 흡수 비틀림 바아를 갖는 안전 벨트 리트랙터(seat belt retractor)에 관한 것이다.
종래 형태의 안전 벨트 리트랙터는 프레임을 포함하며, 이 프레임상으로 회전식으로 스풀이 장착된다. 스풀은 일반적으로 하나 또는 그 이상의 체결 휠을 포함하며, 이 체결 휠은 각각 대응하는 체결 폴에 의해 맞물리고 체결되는 다수의 치형부를 갖는다. 체결 폴은 프레임에 회전식으로 장착되고 체결 휠의 치형부와 해제 위치에서 맞물림 위치로 이동가능하다. 스풀이 체결된 후에, 스풀은 더이상 회전하지 않는다. 차량 탑승자가 체결된 리트랙터에 하중을 가함에 따라, 안전 벨트에 응력이 가해져 당겨진 안전 벨트가 자체의 위로 미끄러지기 때문에 모든 차량 탑승자의 전방으로의 이동은 그러한 형태의 리트랙터에 의해 정지되지 않는다.
그러나, 에너지 흡수 리트랙터의 경우, 스풀 및 그와 관련된 장치는 회전될 수 있으며 안전 벨트는 탑승자에 의해 안전 벨트에 전해지는 하중에 반응하여 제어가능하게 연장된다. 차량 탑승자의 전방으로의 이동은 리트랙터내에 발생되는 반동력 또는 토크에 의해 제한된다. 이러한 방식으로 안전 벨트의 연장 및 차량 탑승자의 전방으로의 이동이 제어된다. 에너지 흡수 안전 벨트 리트랙터는 찌부러질 수 있는 부싱 또는 비틀림 바아와 같은 변형가능한 부재를 종종 사용한다. 다른 경우에 있어서, 부싱이 찌부러지거나, 또는 비틀림 바아가 탄성 한계를 지나 소성 범위 내로 비틀려져서, 이동하는 차량 탑승자에 의해 안전 벨트에 가해지는 힘에 의하여 리트랙터 스풀에 전달되는 토크에 대향하여 작용하는 소망 반동 토크를 발생시킨다.
에너지 흡수 리트랙터의 목적은 차량 탑승자의 전방으로의 이동에 저항하는 일반적으로 일정한 반동력을 발생시키고 충돌 동안, 즉 안전 벨트가 차량 탑승자에 의해 하중이 가해지는 전체 시간 동안, 그러한 일정한 힘을 발생시킬 수 있도록 하는 것이다. 이론적으로 그러한 것은 일정한 소성 영역에서 항상 작동하는 충돌 부싱 또는 비틀림 바아를 사용함으로써 달성될 수 있다.
비틀림 바아 안전 벨트 리트랙터에 있어서, 비틀림 바아의 일 단부는 체결 휠에 부착되고 타 단부는 리트랙터 스풀에 부착된다. 충돌시 체결 휠은 체결 휠의 치형부내에 체결 도그(dog) 또는 체결 폴을 개재시킴으로써 회전이 방지된다. 차량 탑승자에 의해 안전 벨트에 하중이 가해짐에 따라 스풀은 비틀림 바아가 비틀려지는 것처럼 비틀림 바아내에 발생되는 반동 토크에 대항해 회전하는 경향이 있다. 발생되는 반동 토크의 양은 비틀림 바아가 회전되는 또는 비틀려지는 정도 뿐만 아니라, 비틀림 바아의 물리적인 특성에 따라 다르다.
특히, 비틀림 바아에 의해 발생되는 반동 토크는 비틀림 바아가 탄성, 전이 또는 소성 영역 또는 범위중 어느 것에 있는가에 따라서 변화된다. 이상적인 비틀림 바아에 있어서, 탄성 범위는 급격한, 바람직하게는 매우 급격한 경사 또는 변형 곡선을 특징으로 하며, 소성 범위는 탄성 범위로부터 급격한 전이를 갖는 바람직한 일정한 토크 변형 범위를 특징으로 한다. 그러한 이상적인 비틀림 바아 및 대응하는 안전 벨트 리트랙터에 있어서, 일단 비틀림 바아의 제 1 단부가 체결되고 스풀이 장전되면, 안전 벨트가 연장됨에 따라 일정한 반동력이 리트랙터에 의해 발생되도록 비틀림 바아는 탄성 범위[도 1의 곡선(100) 참조]에서 소성 작동 범위로 즉각적으로 전이한다.
종래의 비틀림 바아는 다수의 상이한 제조 방법에 의해 제조되었다. 일 방법에 있어서, 과도한 크기의 금속 바아는 그의 직경이 소망하는 치수로 감소되도록 가공되었다. 결과적으로, 단부 형성부는 냉간 압연과 같은 것에 의해 가공된 바아(machined bar)상에 형성된다. 바아의 가공은 일반적으로 불균일한 응력 라이저(risers)를 형성할 수 있으며 가공된 바아의 냉간 압연은 소망하지 않는 방법으로 금속의 결정 구조체를 다시 배향시킨다고 믿어진다. 비틀림 바아내의 응력 분포를 보다 균일하게 하기 위해, 산소 제어 상황에서의 풀림이 종종 사용되며, 이는 최종 제품의 비용을 증가시킨다. 그러나, 탄성 영역, 연장된 탄성/소성 전이 영역 및 소성 영역을 갖는 도 1의 곡선(102)에 도시된 것과 유사한 특성 토크 변형 곡선을 나타내기 때문에 그러한 형태의 비틀림 바아는 본 발명의 목적을 달성할 수 없다.
다른 제조 방법에 있어서, 비틀림 바아는 냉간 형성 방법(cold-formed process)을 사용하여 제조되며, 금속 바아 또는 와이어(큰 직경)는 소망의 치수보다 작은 직경을 갖는다. 소망하는 직경보다 작은 바아는 소망하는 보다 큰 직경을 갖는 바아 내로 팽창된다. 그러한 형태의 비틀림 바아가 시험되었는데, 도 1의 곡선(102)과 유사한 특성 토크 변형 곡선을 표시하거나 나타낸다. 또한, 종래 기술에는 짧은 또는 갑자기 종료되는 탄성/소성 전이 영역을 갖는 비틀림 바아를 제조하는 방법을 제안되어 있다. 이러한 방식으로 사전 가공 또는 사전 형성된 비틀림 바아는 안전 벨트 리트랙터내에 설치되기 전에 (항복 토크 레벨 이상으로 사전 토크를 받거나 비틀림 받음으로써) 가공 경화된다. 본 기술의 잠재적인 결함은 일단 비틀림 바아가 리트랙터내에 설치되면 사고시에 비틀림 바아가 추가적으로 비틀릴 수 있는 유용한 범위를 사전 비틀림이 감소시키는 것이다.
발명의 요약
본 발명의 목적은 탄성 영역에서 소성 영역으로의 급격한 전이를 나타내는 비틀림 바아를 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 그러한 형태의 비틀림 바아를 사용하는 에너지 흡수 안전 벨트 리트랙터를 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적 및 목표는 본 발명의 하기의 상세한 설명으로부터 명확해질 수 있다.
도 1은 이상적인 비틀림 바아 및 원형 단면을 갖는 종래의 비틀림 바아에 대한 토크-변형 곡선,
도 2a는 본 발명에 따라 냉간 형성된 비틀림 바아에 대한 토크-변형 곡선을 도시하는 시험 데이터를 나타내는 도면,
도 2b는 냉간 형성되고 난 후 풀림 처리된 비틀림 바아에 대한 시험 데이터를 나타내는 도면,
도 3a 및 도 3b는 다양한 완성 단계에 있는 비틀림 바아를 도시하는 도면,
도 4a 및 도 4b는 비틀림 바아의 단부 평면도,
도 5는 본 발명의 비틀림 바아를 사용하는 안전 벨트 리트랙터를 도시하는 도면.
도 3a 및 도 3b는 본 발명에 따라 제조된 비틀림 바아를 나타내는 도면이다. 비틀림 바아(50)는 1개의 중앙 몸체(52)와 2개의 단부 형성부(52a, 52b)를 가지며, 이 단부 형성부(52a, 52b)는 비틀림 바아가 각기 스프링 아버(arbor) 및 래칫 몸체와 결합되도록 한다. 비틀림 바아는 원형 직경을 갖는 금속 바아(또는 큰 직경의 와이어)로 제조된다. 바람직한 실시예에 있어서, 바아 또는 와이어는 50 내지 70, 바람직하게는 60 내지 65 범위의 록웰 B(Rockwell B)를 갖는 1005, 알루미늄 탈산 구상 풀림 강(1005, aluminum killed, spherical annealed steel)으로 제조된다. 이러한 금속은 일반적으로 종방향으로 정렬되는 결정 구조체로 충분히 늘어날 수 있기 때문에 이러한 금속이 선택된다.
금속 바아(110)의 초기 직경(Di)(도 3a 참조)은 비틀림 바아(50)의 소망의 또는 최종 직경(Dd)보다 약 5% 크다. 비틀림 바아의 최종 직경은 냉간 형성 압출 공정을 사용해 달성되며, 여기서 바아(110)(도 3a 참조)는 다이(도시되지 않음)를 통해 부분적으로 가압되고 그런 후 바아(110)는 소망의 길이로 절단된다. 압출 공정 또는 단계 동안, 금속 바아(110)의 결정 구조체는 일반적으로 종방향으로 배향된 채 남게된다. 참조부호(53)는 종방향 결정 구조체의 일반적인 패턴의 개략적인 도시를 나타낸다. 즉, 결정 구조체는 비틀림 바아(50)의 축(112)에 평행하게 놓인다. 원래의 바아 또는 와이어 재료의 결정 구조체가 종방향으로 정렬된 결정 구조체를 가지지 않을 지라도, 이러한 압출 공정에서 결정 구조체를 그렇게 정렬시킨다.
바아(110)의 직경을 소망의 치수로 감소시킨 후, 바아의 단부는 단부 형성부(52a, 52b)를 형성하도록 냉간 압조(cold headed)된다. 이러한 단부 형성부는 그 위에 다단계 공정 또는 단일 공정으로 형성될 수 있다. 도 4a 및 도 4b는 각각의 단부 형성부의 단부도이다. 단부 형성부(52a)는 다수의 스플라인(56a)이 형성된 확대된 직경부를 포함한다. 단부 형성부(52b)는 스플라인(56b) 및 적어도 하나의 일체식으로 형성된 노치 또는 홈(58)을 갖는 확대부를 포함하며, 이 홈(58)은 도 5에 도시된 바와 같이 스프링 아버(60)를 수납하기 위한 수단으로 제공된다. 스플라인(56a, 56b)의 확대된 직경부를 형성하기 위해 사용되는 냉간 압조 공정은 바아내에 종방향 결정 구조체를 유지시킬 뿐만 아니라 재료의 결정 구조체에 반경방향 성분을 추가시킨다. 그러나, 반경 변형부(55, 57)(도 3b 참조)는 결정 구조체 및 응력 분포에 있어서의 모든 불연속성을 방지한다고 여겨진다. 결과적으로, 일반적으로 금속 형성후에 사용되는 풀림(annealing) 공정 단계가 생략될 수 있다. 놀랍게도, 비틀림 바아가 풀림되면, 결과적인 토크 변형 곡선은 도 2b의 곡선(202)으로 도시된 바와 같다.
도 2a에 곡선(200)으로 도시된 시험 데이터를 다시 참조하면, 비틀림 바아(50)의 탄성 거동과 소성 거동 사이에서 급격히 감소된 전이 영역을 나타내고 있으며, 이는 비틀림 바아를 형성한 후에 재료를 풀림할 필요없이 달성되어 있다. 비틀림 바아가 풀림되었다면, 토크 변형 곡선은 도 2b에 곡선(202)으로 도시된 데이터와 유사할 것이다. 만일 압출되고, 냉간 형성된 비틀림 바아가 리트랙터내에 설치된다면, 비틀림 바아의 소성 영역으로의 반동 토크 및 내부 응력을 올리기 위한 인출(탑승자의 이동)은 보다 작고, 웨빙(webbing)이 제어가능하게 연장될 때 발생되는 반동 토크는 소정량의 꼬임을 위한 압출 공정에 의한 사전 응력이 가해지지 않는 비틀림 바아의 반동 토크보다 높을 것이다.
도 5는 비틀림 바아 및 에너지 흡수 안전 벨트 리트랙터(20)의 주요 구성요소의 구조를 도시한다. 리트랙터는 제 1 측면(24a), 제 2 측면(24b) 및 백(24c)을 갖는 프레임(22)을 포함하며, 이 제 1 및 제 2 측면 각각은 개별적인 제 1 개구(28a 또는 28b)를 포함한다. 또한 리트랙터는 프레임에 회전식으로 지지된 중공 스풀(30)을 포함한다. 중공 스풀(30)은 중앙 몸체(32), 및 이 중앙 몸체(32)의 각 단부에 대향 플랜지(34a, 34b)를 포함한다. 중앙 몸체는 그의 일 단부에 형성된 스플라인(42)을 갖는 중공 보어(40)를 포함한다. 또한, 몸체는 안전 벨트 웨빙(36)의 길이부의 단부를 수납 및 고정하기 위한 공지된 구조의 슬롯(도시되지 않음)과 같은 수단을 포함한다. 참조부호(36a)는 스풀을 둘러싸는 안전 벨트의 몇몇 층을 나타낸다.
비틀림 바아(50)는 보어(40)내에 수납된다. 비틀림 바아는 중앙 몸체(52) 및 단부 형성부(52a, 52b)를 포함한다. 전술된 바와 같이, 단부 형성부(52b)는 스플라인(56b)을 포함한다[스플라인(56b)은 스풀의 스플라인(42)과 전동가능하게 맞물림]. 노치 또는 홈(58)(도 4b 참조)은 스프링 아버(62)의 구동 키(60)를 수용한다. 스프링 아버는 슬롯(64)을 포함하며 이 슬롯(64)내에 리와인드 스프링(rewind spring)(66)의 내측 단부가 수용된다. 스프링의 외측 단부는 스프링 커버(68)에 단단히 고정된다. 스프링 커버는 프레임의 제 2 측면(24b)에 고정되고 프레임의 제 1 개구(28b)내에 수납된 원형 돌출부(70)를 포함한다. 돌출부(70)는 스프링 아버(62), 비틀림 바아(50) 및 스풀을 회전식으로 지지하기 위한 부싱으로서 기능을 한다. 중공 스풀(30)은 비틀림 바아(50)의 스플라인(42)과 인접해 위치된 대향 포켓(38)을 포함한다. 제 위치에 있는 비틀림 바아가 정위치에 있는 상태에서 스풀을 국부적으로 변형시켜 스풀 스플라인(42)과 비틀림 바아 스플라인(56b)을 서로 고정시키도록 공구가 삽입된다.
긴급 체결 리트랙터(emergency locking retractors : ELR)는 다양한 래칫 또는 체결 휠 조립체를 포함한다. 본 발명에 사용하기 위한 정확한 형상은 특별히 중요하지는 않다. 종래 기술에 공지된 바와 같이, 래칫 휠 조립체는 안전 벨트의 연장을 정지시키기 위해 체결 폴이 래칫 또는 체결 휠상의 치형부와 맞물리도록 하기 위한 센서를 포함한다. 그러한 센서는 일반적으로 소정 레벨 이상의 차량 감속을 감지하며, 안전 벨트(웨빙)가 결정가능한 레벨을 초과한 비율로 스풀로부터 회수될 때 웨브 센서는 리트랙터의 체결을 개시한다. 래칫 또는 체결 휠 조립체는 하나 또는 그 이상의 플라스틱 센서 폴을 가질 수 있으며, 이 플라스틱 센서 폴은 플라스틱 또는 금속 래칫 휠과 맞물리고, 이 래칫 휠은 체결 컵을 리트랙터 샤프트(본 경우에 있어서, 비틀림 바아)에 연결시킨다. 체결 컵을 샤프트(비틀림 바아)에 연결시킴으로써 체결 컵은 회전한다. 체결 컵의 운동은 일반적으로 금속인 하중 흡수 체결 폴이 하중 흡수 금속 체결 휠과 맞물리게 하며, 따라서 단지 일시적으로만(비틀림 바아와 같은 에너지 흡수 요소를 사용할 때) 안전 벨트의 연장을 정지시킨다. 본 발명과 함께 사용할 수 있는 그러한 체결 휠 조립체는 미국 특허 제 5,529,258 호 및 유럽 특허 제 0 228 729 호에 개시되어 있다.
비틀림 바아(50)의 단부 형성부(52a)는 체결 또는 래칫 휠 조립체 수단(80)에 고정된다. 이 조립체는 래칫 몸체(82)와, 치형부(85)를 구비하는 체결 또는 래칫 휠(84)을 포함한다. 래칫 몸체는 비틀림 바아(50)의 스플라인(56a)과 맞물리는 내부 스플라인(88)을 구비하는 관형부(86)를 포함한다. 체결 휠은 몸체의 일부이거나 도시된 바와 같이 그에 고정된 분리 부분일 수 있다. 래칫 몸체는 프레임 개구(28a)내에 수납되고, 부싱(90)에 의해 지지된다. 체결 폴(92)은 프레임의 제 1 측면(24a)상에 회전식으로 지지되며, 차량 또는 웨브 센서의 활성화에 반응하여 체결 휠의 치형부(85)와 맞물림부내로 이동 가능하다.
체결 휠 조립체 수단(80)은 중공 스풀(30)의 회전 각가속도를 감지하는 웨브 센서(220)를 포함한다. 도시된 바와 같이, 웨브 센서는 체결 휠 조립체를 통해 비틀림 바아(50)에 연결되며, 웨브 센서의 속도(체결전)가 스풀의 속도이다. 체결 휠 조립체는 차량 센서(222)를 더 포함한다. 그러나, 상술한 바와 같이, 웨브 및 차량 센서의 특정 수단은 다양할 것이나 이것은 종래에 공지되어 있다. 차량 또는 웨브 센서중의 하나는 활성화될 때마다, 체결 폴(92)은 공지된 기구를 통해 체결 휠(84)과 체결 맞물림부내로 가져가 진다.
리트랙터(20)의 작동은 일반적으로 상술한 것과 동일하다. 충돌시 비틀림 바아(50)의 단부 형성부(52a)는 회전이 계속되는 것을 고정시키며, 차량 탑승자가 전방으로 이동 또는 이동하고자 할 때 안전 벨트에 하중이 가해진다. 이 하중은 안전 벨트 웨빙(36)을 통해 중공 스풀(30)로 전달되며, 그 운동은 비틀림 바아의 단부 형성부(52b)가 회전됨에 따라 발생되는 반동 토크에 의해 저항된다. 증가된 탑승자 하중은 반동력과 대향해 스풀 및 비틀림 바아가 회전하도록 하며, 그에 따라 안전 벨트를 연장시키고 차량 탑승자가 제어된 방법으로 전방으로 이동하도록 한다.

Claims (6)

  1. 안전 벨트 리트랙터(20)에 있어서,
    중공 스풀(30) 및 비틀림 바아(50)를 포함하며, 상기 비틀림 바아는 제 1 및 제 2 단부 형성부(52b, 52a)를 포함하며, 상기 제 1 단부 형성부(52b)는 상기 스풀에 연결되며;
    상기 비틀림 바아는 상기 단부 형성부 사이에 위치되고 감소된 직경의 바아내로 압출시킴으로써 형성되는 연성의 길다란 몸체(52)를 더 포함하며, 상기 바아(50)의 중앙부 근처에서 바아에 정렬된 결정 구조체는 종방향으로 정렬되는
    안전 벨트 리트랙터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 단부 형성부(52a, 52b)는 냉간 압조 공정(cold heading precess)에 의해 형성되는
    안전 벨트 리트랙터.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 2 단부 형성부는 체결 휠 조립체 수단(80)에 연결되는
    안전 벨트 리트랙터.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 비틀림 바아는, 상기 리트랙터에 설치되기 전에, 상기 바아의 결정 구조체를 종방향으로 정렬시키기에 충분한 사전 응력을 받는
    안전 벨트 리트랙터.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 비틀림 바아는, 상기 리트랙터에 설치되기 전에, 소성 변형 영역으로의 급격한 개시를 발생시키기에 충분한 사전 응력을 받는
    안전 벨트 리트랙터.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 비틀림 바아의 단면이 원형인
    안전 벨트 리트랙터.
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