SE521720C2 - Variabel kraftbegränsare för säkerhetsbälte - Google Patents

Description

(51 F.) __» 720 l Problem med känd teknik Försäkringsstatistik från både USA och Sverige visar att både nacke, ländrygg och benskador fortfarande är ett betydande problem trots stora förbättringar i totalsäkerheten vid kollisioner.

Främst långvariga nackbesvär som resttillstånd efter kollisioner är vanligt förekommande.

Ingen klar vetenskaplig medicinsk eller biomekanisk orsak har dock kunnat fastställas till whiplashskador. Ett flertal teorier har presenterats som innebär att nacken utsätts för mycket snabba och ibland energirika skjuvkrafter ofta under vertikal kompression av nacken, vilket möjligen kan leda till dessa skador. Skjuvkrafterna misstänkta skadlighet i detta sammanhang gäller vid kollision i samtliga riktningar, således även från sida och den klassiska bakifrån påkömingen. Detta meatör att lättare människor oftast barn/ ungdomar och kvinnor inte får samma skydd av kraftbegränsaren vid frontalkollision som tyngre personer. Kvinnor, äldre och barn har dessutom oftast svagare muskler och ligamentapparat i nacken. Barns huvud är även proportionellt större och tyngre än vuxna huvud om man tar hänsyn till hela kroppens tyngd och längd. Även längre personer av båda könen löper större risk att få whiplashskada vid kollision. Möjligen kan detta bero på att dessa personer oftast får en mera hopsjunken körställning. Whiplashskador med långtidskonsekvenser är vanligare bland kvinnor jämför med män om man korrigerar för körsträckan och olycksfrekvens. Säkerhetsbältet är det viktigaste skyddssystemet som upptar huvuddelen av krockenergin vid frontalkollision.

Kraften skall fördelas över främst bäckenet och bröstkorgen Vid frontalkollisionen kommer kroppen att på grund av masströgheten fortsätta framåt i färdriktningen samtidigt som säkerhetsbältet dras åt kring bäcken och bål. Detta medför att nacken kommer att skjuva framåt omedelbart relativt hålen. Troligen ökas risken för dessa skador om skjuvningen äger rum tidigt i kollisionstörloppet då den sittande ofta sitter lätt hopsjunken i fordonsstolen med ett framåtskjutet huvud, så kallad protraktion av nacken. Sittställningsstudier har visat att vi sitter hopsj unkna med bakåt roterat bäcken och illa åtdraget midjebälte i nersuttna sittdynor när bilen gått 10-15 000 mil och bilen/fordonsstolen fortfarande har kvar 50 % av sin tekniska livslängd. Dagens system med bältesförsträckare som via dragning i bål- och midj ebälten ger kraftig tippning bakåt av bäckenet när dessa utlöses under kollisionen. Detta förhållande medför ökad risk för ytterlägesbelastning i framåtböjning, så kallad flexion av ryggens leder, speciellt i ländryggen. Sekundärt till detta uppstår protraktion av nacken. Leder tål generellt mindre mekanisk belastning i dess yttre rörelseomfång jämfört med mera central ledbelastning. Risken för slitskador i ligament ökar på sträcksidan och kompressionsskador ex. mikrofrakturer på diskar och leder ökar på kompressionssidan. Ovanstående mekaniska system med kraftbegränsare tar således inte hänsyn till den åkandes vikt eller sittposition och därigenom kroppens förmåga till belastningstolerans vid uppbromsningen i kollisionen.

Den del av ryggen som klarar mekanisk belastning bäst är bäckenet. Säkerhetsbälten, krockkuddar och fordonsstolarna kommer i framtiden att samverka på ett allt mera sofistikerat sätt, för att kunna fördela uppbromsningen av kroppens rörelseenergi mellan de tre huvud skyddssystemen som verkar närmast människan i fordonet. Konsumenterna och myndigheter ställer allt högre krav på skydd i högre kollisions hastigheter och högre G-belastning, vilket ställer stora krav på systemens effektivitet. För att möta dessa krav krävs att skyddssystemen skall vara snabba och ”intelligenta” och anpassningsbara till de förhållanden som gäller i den specifika kollisionen. v? Uppfinningens syfte och särdrag Föreliggande uppfinning tar sikte på att undanröja ovan nämnda brister hos nuvarande system och skapa ett säkrare kollisionssystem för säkerhetsbälten i samverkan med fordonets krockkuddar. Syftet är att skapa ett nytt och effektivare uppbromsningssystem vid frontalkollision för de åkande i fordonsstolar där säkerhetsbältet uppbromsningsförrnåga regleras av en elektroniskt styrd uppbromsningsmekanism placerad i anslutning till upprullningsmekanismen eller i anslutning till D-ringen av bålbältesdelen av säkerhetsbältet.

Enligt uppfinningen nås syftet med de särdrag som är angivna i patentkravet 1 kännetecknade del. Fördelaktiga utföranden av säkerhetssystemet är vidare definierade i de osjälvständiga kraven.

Kort redogörelse av teknikens ståndpunkt Teknik med mekaniska belastningsbegränsare i bältesupprullaren är känt sedan tidigare bland annat från US 5,533,756, US 5,547,l43, US 5,626,306 och US 667,246. Dessa uppfinningar har mekaniska belastningsbegränsare som kan modifieras vid tillverkningen och ställas inom ett intervall mellan 50-2000 pounds (227-9080 Newton). Denna inställning kan sedan inte ändras och tar således endast begränsad hänsyn till den åkandes vikt, fordonets kollisionshastighet eller decelleration. Detta medför ökad risk för personskada vid frontalkollision för lätta personer då oftast bam och kvinnor. Variabel styrning av uppbromsningskraften i bålbältet efter de i kollisionsögonblicket rådande förhållanden är begränsade i befintliga system.

Kort beskrivning av bifogade ritningar På ritningama är: Figur 1 Sldovy, översiktsbild av en âkande i en fordonsstol utrustad med säkerhetssystemets ingående fimktionskomponenter Figur 2 Skiss över upprullningsmekanismen för bålbältet samt tillhörande variabla kraftbegränsare.

Figur 3 Skiss över D-ringen samt tillhörande variabla kraftbegränsare Detaljerad beskrivning av föredragna utföranden av uppfinningen Figur 1 innehåller en fordonsstol (1) och en ratt (2) utrustad med tillhörande krockkudde (3).

Föraren har ett säkerhetsbälte (4) av tre-punktstyp. Bältet består av en midj edel (5) samt en båldel (6) av säkerhetsbältet (4). Säkerhetsbältet (4) är utrustat med en fastspänriingsmekanism (7) av säkerhetsbältet (4) till fordonets chassi (8). Mellan chassit (8) och fastspärmingsmekanism (7) sitter en bältesförsträckare (9). Fordonet är vidareutrustat med en eller flera sensorer vilka har till uppgift att detektera fordonets kollisionshastighet (10), decellerationen av fordonet vid kollision (11), bålbältets utrullning (12), fordonsstolen avstånd till islagsytorna (13) samt den åkandes vikt (14) och sittställning (15). Sensom för bältesutrullningen (12) kan bestå av en i upprullningsmekanismen (17) placerad optisk, induktiv eller mekanisk sensor. Sensorer för stolen (1) avstånd till islagsytoma (13) är lämpligen placerade i stolarnas säten eller dess substrukturer samt i rattstången på de fordon som har höjd- eller längdinställning av rattstången. Sensor för den åkandes vikt (14) placeras i respektive stol (1). Sensor för den åkandes sittställning (15) i stolen (1) kan kontrolleras via mekaniskt känsliga sensorer utplacerade i ryggstödet. Även sensorer för sittställningen (15) med Infraröd, så kallad IR-teknik är möjlig. Denna sensor kan då placeras mera valfritt till exempel i stol, dörr eller innertak. IR-sensorer kan även avgöra den åkandes sittande höjd.

Islagsytoma är för de åkande i framsätet är ratt (2) och instrumentpanel (36). För de åkande i baksätet är islagsytoma ryggstödet på fordonsstolen (1). Infonnationen från dessa sensorer skickas till en styrenhet (16) som sedan skickar elektriska styrsignaler till bålbältets (6) variabla kraftbegränsare (29) som sitter placerad i anslutning till upprullningsmekanismen (17). Vid en framifrån riktad kollision kommer bältesförsträckaren (9) att utlösas varvid slacket i både bål- och midj ebältet minskas. Draglängden av bältesförsträckaren (9) är ca: 100-150 mm beroende på konstruktionen. Åtdragningen sker ca: 5-10 ms efter att kollisionen detekterats av fordonets kollisionsdetektorer (11) och eventuellt annan mekaniskt påverkbar sensor i fordonets front. Vid försträckarens (9) utlösande kommer bålbältets (6) upprullningsmekanism (17) att låsa bålbältes utrullning. Säkerhetsbältet (4) kan ha flera försträckare (9) placerade endera i midjebältes (5) yttre infästning (19) eller i bålbältets (6) utrullningsmekanism (17). Sensorinformation bearbetas i styrenheten (16) som ger en variabel elektrisk styrning av en mycket snabb elmotor (20) som har till uppgift att beroende på den åkandes skyddsbehov av uppbromsning reglera eftergivligheten av bålbältet med avseende på både tiden och kraften. Utgående signaler från styrenheten (16) till den elektriska motom (20) kan vara i analog eller digital signalfonn. Generellt kan man säga att lätta personer som sitter i goda sittlägen i fordonsstolen och som kolliderar frontalt med relativt med låg rörelseenergi, kommer att utlösa låga eller måttliga G-krafter. Via den variabla kraftbegränsaren kommer den åkande att få mera bältesutrullning och mindre motstånds på bålbältet. Motsatsen med tunga personer som sitter ogynnsamt och frontalkollisionen innehåller hög rörelseenergi och därför höga G-krafter. kommer via den variabla kraftbegränsaren att på mycket liten utrullning av bålbältet och stort motstånd. Ovanstående säkerhetssystem bygger på en kontrollerad aktivt styrd utrullning av bålbältet (6). Vid en minskad belastning på bålbältet kommer en ökad belastning av fordonets krockkuddar (3) och fordonsstol (1) att öka. Kraften i fordonets krockkudde (3) regleras i samverkan med den ovan kontrollerade bältesutrullningen av bålbältet (6). Styrningen av denna funktion sker i samverkan med styrenheten (16).

Figur 2 visar säkerhetsbältets (4) upprullningsmekanism ( 17) med tillhörande hus (21), utrullningsspärr» eller accelerationsspärr (22) samt bältesrullen (23). Till denna mekanism sitter ett kuggsystem (24) och tillhörande snabba elektriska motor (20). Kugghjulet (27) sitter monterat på bältesrullen (23) längsgående axel. Kuggssystemets (24) andra del består av inotoraxeln (28). Motorn (20) energibehov kan med fördel snabbt hämtas ur en reservenergikälla (26), batteri eller uppladdningsbar kondensator eller en kombination av dessa som är utrustad med en elektronisk styrenhet för pulserat energiuttag för effektiv och snabb styrning av elmotom (20). Figur 2 visar även den generella utväxlingen på kuggsystemet (24) där elmotom (20) växlas ner via en vinkelväxel. Stigningen på kuggama i kugghjulet (27) från elmotorns utgående axel (28) är sådan att bältesutrullning från utrullaren (23) är omöjligt såvida inte elmotom (20) aktiveras via styrenheten (16). Om den variabla och elektriskt styrda kraftbegränsaren kombineras med en i dag på marknaden mekanisk kraftbegränsare (33) har man denna som ett reservsystem om den elektriska styrningen av någon anledning skulle fallera.

Uppfinningen fördelar En väsentlig fördel med uppfinningen är att uppbromsningen av kraften via säkerhetsbältet som belastar bröstkorg och särskilt nacken vid frontalkollision kan regleras beroende på den åkandes vikt, bältets utrullningsgrad, fordonsstolens avstånd till framförvarande islagsytor, kollisionshastighet och fordonets decelleration. Detta medför att kraften kan spridas ut över en längre tid och därmed kommer nacken och bröstkorgen att belastas med jämnare och lägre G- :Lift 720 s (_17 belastning under kollisionens inledande uppbromsningsfas, 0-60 ms. Vidare kommer uppfmningen att leda till jämnare G-belastning under hela kollisionsförloppet. En effektivare fördelning av uppbromsningskraften mellan bälte och krockkudde är möjlig att åstadkomma via uppfinningen.

Tänkbara modifieringar av uppfinningen I figur 3 visas en modifiering är att den variabla elektriskt variabla kraftbegränsaren (29').

Kraftbegränsaren (29') består av motorn (20') och dess utgående axel (28'), kuggsystemet (24') där ena delen består av den gängade axeln (28“) och andra delen av en gängad hållare (32). Säkerhetsbältet (4) D-ring (3 0) är rörligt förbunden till hållaren (32) via förbindningen (31). Hållaren (32) är i sin tur fast förbunden via förbindningen (34) och (34') till fordonets B- stolpe (35). Hela i figur 3 ovanstående beskrivna arrangemang sitter normalt monterat på en glidskena för individuell höjdinställning av bålbältets (6) D-ring (30). Vid säkerhetssystemets utlösande drivs D-iingen (30) och hållaren (32) neråt mot fordonets golv via styrimpulsema från styrenhet (16) som driver motorn (20“). Därigenom kommer bålbältets (6) uppbromsande kraft av den åkande vid frontalkollision att minska. Sensorema (10-15) och styrenheten (16) funktion är tidigare beskriva under den detaljerade beskrivningen av uppfinningen och har samma funktion i denna modifiering av uppfinningen. Under den detaljerade beskrivningen i figur 1 och 2 samt ovan i figur 3 har en kuggutformning på kuggsystemet (24) beskrivits som omöjliggjort utrullning då motom (20) ej aktiverats. Om kuggeometrin vinklas så att motorns axel (28) utrustas med en snäckskruv där kuggvinklarna är mindre vinkelräta mot den längsgående motoraxeln kommer motom (20) i stället att få en bromsande effekt vid påslag.

Dagens fordon har oftast 12 volt spänning i sina elsystem. Framtidens fordon utvecklas mot ökad spänning, 42 volt har bland annat föreslagits. Detta är även positivt för denna uppfinning. Detta medför att motorer med lite storlek kan utveckla större effekt och därmed erbjuda effektivare variabel uppbromsning av den åkande. Om motom (20) ej aktiveras kommer bålbältesutrullning från utrullningsmekanismen (17) att ske.

En annan tänkbar modifiering av uppfinningen är att en bipolär elmotor (20) kan användas för att reglera återdragningen av bålbältet (6) vid fordonets förkollisions-fas. Detta möjliggör förspärining av bålbältet (6) om den åkande inte sitter i god kontakt med ryggstödet i stolen.

Detta skulle innebära att maximal uppbromsningssträcka erhölls på ett mot kroppen skonsammare sätt än om bältesförsträckare (9) skulle utföra samma förflyttning av den åkandes kropp vid kollisionsfasens inledande förlopp. Efter systemets aktivering i en primärkollision kan systemet fungera åtdragande för att skydda vid en eventuell sekundärkollision. Åtdragning av säkerhetsbältet (4) enligt ovan är känt sedan tidigare och kan utlösas av kraftigt tryck på bromspedalen eller via olika typer av kollisionsdetekterande Varningssystem av exempelvis radartyp.

En ytterligare modifiering av uppfinningen är i stolsmonterade säkerhetsbälten (4) och då sitter den variabla elektriskt styrda kraftbegränsaren (29) monterade i fordonsstolen (1) i stället för i fordonets B-stolpe (35). Kraftbegränsaren (29) lämpar även sig för 4- eller 6 - , punktsbälten, speciellt i kombination med ovanstående beskrivna åtdragningsfurildion som är speciellt fördelaktigt vid så kallade ”roll-ovefïolyckor. Inom motorsporten sker dessa olyckor ofta. Kraftbegränsaren i kombination med 4-punktsbälte ger även möjlighet till effektiv styrning av kroppens uppbromsning mot krockkudden (3). Så att medvridning av bålen förhindras och ger därigenom effektivare utnyttjande av krockkuddens (3) uppbromsningsfönnåga eftersom bålen och huvudet kommer att mera exakt träffa krockkuddens (3) centrum. Även vissa styrbara elektromagnetiska anordningar kan tänkas ersätta funktionen av elmotorn (20) i den variabla kraftbegränsaren (29)

Claims (5)

10 15 20 25 30 35 (fl ÖJ ...s \Q ßfi C3 Patentkrav

1. Säkerhetssystem för fordon, innefattande ett i anslut- ning till en fordonsstol (1) applicerbart säkerhetsbälte (4), vilket inbegriper såväl en midjedel (5) som en båldel (6), varvid systemet inbegriper dels åtminstone en upprull- ningsmekanism (17) och ett med bältet samverkande kraft- begränsningsmedel (29), dels åtminstone en försträckare (9), varvid funktionen hos sagda kraftbegränsningsmedel styrs av en styrenhet (16) till vilken är kopplade sensorer (10-15) med uppgift att detektera ett antal parametrar i samband med kollision, k ä n n e t e c k n a t därav, att kraftbegränsningsmedlet (29) innefattar en snabb elektrisk motor (20) med en utgående axel (28) som uppvisar en han- gänga, vilken står i ingrepp med kuggar på ett kugghjul (27) som är förbundet med en bältesrulle (23) i upprull- ningsmekanismen (17), varvid gängans och kuggarnas stigning är sådan att utrullning av bältet från rullen möjliggörs först genom aktivering av motorn.

2. Säkerhetssystem för fordon, innefattande ett i anslut- ning till en fordonsstol (1) applicerbart säkerhetsbälte (4), vilket inbegriper såväl en midjedel (5) som en båldel (6), varvid systemet inbegriper dels en av säkerhetsbältets (4) båldel (6) genomlupen D-ring (30) avsedd att hängas upp i en B-stolpe till det aktuella fordonet, och ett med säkerhetsbältet samverkande kraftbegränsningsmedel (29'), dels åtminstone en försträckare (9), varvid funktionen hos sagda kraftbegränsningsmedel styrs av en styrenhet (16) till vilken är kopplade sensorer (10-15) med uppgift att detektera ett antal parametrar i samband med kollision, k ä n n e t e c k n a d därav, att kraftbegränsningsmedlet (29') innefattar en snabb elektrisk motor (20') med en utgående axel (28') som uppvisar en hangänga, vilken står i ingrepp med en hongänga i en hållare (32) med vilken D- ringen (30) är rörligt förbunden, varvid gängornas stigning är sådan att neddragning av D-ringen och genomlöpning av sagda bältesbåldel (6) genom denna möjliggörs först genom aktivering av motorn (20'). W U 20 521 72U

3. Säkerhetssystem enligt krav 1 eller 2, k ä n n e- t e c k n a d därav, att styrenheten (16) år anordnad att styra motorn (20, 20') med en varierad effekt.

4. Säkerhetssystem enligt något av föregående krav, k å n n e t e c k n a d därav, att sensorerna (10-15) är anordnade att detektera åtminstone ett flertal av följande parametrar: fordonets kollisionshastighet (sensor 10), fordonets decelleration (sensor 11), bältesbàldelens (6) utrullning (sensor 12), fordonsstolens (1) avstånd till islagsytor (sensor 13) den åkandes vikt (sensor 14), och den åkandes sittställning i fordonsstolen (sensor 15).

5. Säkerhetssystem enligt något av föregående krav, k ä n n e t e c k n a d därav, att detsamma samverkar med krockkuddar (3) ingående i fordonet.