DE10146311B4

DE10146311B4 - Vorrichtung zur Kraftbegrenzung

Info

Publication number: DE10146311B4
Application number: DE2001146311
Authority: DE
Inventors: Uwe Dipl.-Ing. Renz (Fh)
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2001-09-20
Filing date: 2001-09-20
Publication date: 2005-01-27
Anticipated expiration: 2021-09-21
Also published as: DE10146311A1

Abstract

Vorrichtung zur Kraftbegrenzung
– mit einem Gehäuse, in das eine Führungsbahn eingebracht ist,
– einem relativ zum Gehäuse drehbar angeordneten Mitnehmer, sowie
– einem Zugmittel, welches an dem Mitnehmer festgelegt ist und sich ausgehend von dem Mitnehmer in der Führungsbahn erstreckt, wobei das Zugmittel länger ist als die Führungsbahn, so dass es sich über das vom Mitnehmer abgewandte Ende der Führungsbahn hinaus erstreckt und
– einem Mittel zum Durchtrennen des Zugmittels,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Mittel zum Trennen (15) des Zugmittels (8) aus einem mit einer Schneide (16) versehenen schiebebeweglich angeordneten Element bestehet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kraftbegrenzung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine derartige Vorrichtung zur Kraftbegrenzung ist aus der EP 0 985 847 A2 bekannt. Sie weist ein Gehäuse auf, in das eine Führungsbahn eingebracht ist. In dem Inneren des Gehäuses ist ein drehbar gelagerter Mitnehmer angeordnet. Des weiteren ist ein Zugmittel vorgesehen, welches mit seinem einen Ende an dem Mitnehmer festgelegt ist und sich in der Führungsbahn erstreckt. Durch eine Drehung des Mitnehmers relativ zum Gehäuse wird das Zugmittel aus der Führungsbahn herausgezogen und auf den Mitnehmer aufgewickelt. Derartige Kraftbegrenzungsvorrichtungen werden beispielsweise in Gurtsystemen eingesetzt und dienen dazu, beim Rückhalten des Insassen einen zusätzlichen Weg zur Verzögerung zu ermöglichen, indem unter Einwirken einer bestimmten Zugkraft am Gurtband durch die Relativbewegung zwischen Mitnehmer und Gehäuse zusätzliches Gurtband von einer Spule freigegeben wird.

Durch diese Konstruktion wird der Relativbewegung des Mitnehmers in dem Gehäuse eine Widerstandskraft entgegengesetzt, die durch Reibung und Umformarbeit des Zugmittels in der Führungsbahn entsteht. Diese Widerstandskraft ist umso größer, je länger die Führungsbahn ist und je länger das Zugmittel ist, welches sich in der Führungsbahn erstreckt. Da das Zugmittel bei der Drehung des Mitnehmers aus der Führungsbahn herausgezogen wird, nimmt die Widerstandskraft mit der Zeit ab. Die Kennlinie von Widerstandskraft über der Zeit ist damit im Wesentlichen abfallend.

Nachteilig an der bekannten Vorrichtung zur Kraftbegrenzung ist, dass sie nur auf eine bestimmte Unfallsituation ausgerichtet werden kann. Da die Widerstandskraft von festen mechanischen Größen abhängt, wie Bandbeschaffenheit, -länge, Gestaltung der Führungsbahn etc., kann sie während des Betriebs nicht mehr variiert werden. Die Vorrichtung kann somit nicht auf Größen wie Unfallschwere und/oder die Konstitution des Fahrzeuginsassen angepasst werden.

Zudem sind aus dem Stand der Technik zweistufige Kraftbegrenzer bekannt, deren Widerstandskraft von einem Kraftniveaus auf ein anderes geschaltet werden kann. Die beiden Kraftniveaus sind jeweils konstant. Der Übergang von einem Kraftniveau auf das andere erfolgt sprunghaft. Entsprechend der Unfallsituation und dem Zusammenwirken mehrerer Rückhaltemittel kann – auch noch während eines Unfalls – von einem Kraftniveau auf das andere geschaltet werden.

Diese Vorrichtungen bringen den Nachteil mit sich, dass zum Zeitpunkt des Umschaltens von der einen Kraftstufe auf die zweite Kraftstufe ein Krafteinbruch entsteht, während dessen der Insasse kurzzeitig nicht zurückgehalten wird. Der Insasse kann sich also zu diesem Zeitpunkt ungebremst verlagern.

Aus der gattungsbildenden DE 198 26 305 A1 ist eine Vorrichtung zur Kraftbegrenzung mit einem Gehäuse, in das eine Führungsbahn eingebracht ist, bekannt. In dieser Vorrichtung ist ein relativ zum Gehäuse drehbar angeordneter Mitnehmer sowie ein Zugmittel, welches an dem Mitnehmer festgelegt ist und sich ausgehend von dem Mitnehmer in der Führungsbahn erstreckt, angeordnet. Das Zugmittel ist länger als die Führungsbahn, so dass es sich über das vom Mitnehmer abgewandte Ende der Führungsbahn hinaus erstreckt. Zudem ist ein Mittel zum Durchtrennen des Zugmittels vorgesehen.

Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Kraftbegrenzung zu schaffen, mit der es möglich ist, einen verbesserten Schutz für Fahrzeuginsassen zu bieten und deren Wirkungsweise an aktuelle Parameter angepasst werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung zur Gurtkraftbegrenzung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Demnach zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass ein Gehäuse mit einer Führungsbahn vorgesehen ist. In dem Gehäuse ist ein Mitnehmer, welcher drehbar gelagert ist, angeordnet. Des weiteren ist ein Zugmittel vorgesehen, welches mit seinem einen Ende mit dem Mitnehmer verbunden ist und welches sich ausgehend von dem Mitnehmer in der Führungsbahn erstreckt. Die Führungsbahn ist so gestaltet, dass sie dem Zugmittel einen Widerstand entgegensetzt, wenn dieses durch die Bahn gezogen wird. Das kann beispielsweise durch die geometrische Gestaltung der Form der Führungsbahn erfolgen. Erfindungsgemäß ist das Zugmittel länger als die Führungsbahn ausgeführt. Das bedeutet, dass das Zugmittel nur zu einem Teil in der Führungsbahn liegt. Der andere Teil des Zugmittels ist anderweitig in und/oder außerhalb des Gehäuses angeordnet. Mit anderen Worten erstreckt sich das Zugmittel über die Führungsbahn hinaus und zwar über das Ende der Führungsbahn hinaus, welches von dem Mitnehmer abgewendet ist.

Dadurch wird erreicht, dass bei einer Relativbewegung zwischen Mitnehmer und Gehäuse die Widerstandskraft zunächst konstant bleibt, weil sich trotz Aufrollen des Zugmittels auf den Mitnehmer und das Hindurchziehen des Zugmittels durch die Führungsbahn immer die gleiche Länge an Zugmittel in der Führungsbahn befindet, denn es wird ständig Zugmittel nachgezogen. Es wird Zugmittel von dem sich über die Führungsbahn hinaus erstreckenden Teil nachgezogen.

Des weiteren ist bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ein Mittel zum Durchtrennen des Zugmittels vorgesehen. Dieses Trennmittel wird zu einem bestimmten Zeitpunkt aktiviert. Sobald das Zugmittel durchtrennt und weiter aufgerollt wird, wird es nach und nach aus der Führungsbahn herausgezogen und wird die Länge, die sich noch in der Führungsbahn befindet immer kürzer. Dadurch sinkt die Widerstandskraft, die der Relativbewegung zwischen Mitnehmer und Gehäuse entgegengesetzt wird. Der Zeitpunkt der Aktivierung des Trennmittels kann von verschiedensten Parametern abhängig gemacht werden. Wenn die Vorrichtung zur Kraftbegrenzung bei einem Gurtsystem eingesetzt wird, kann dieser Zeitpunkt beispielsweise auf den Zeitpunkt der Zündung eines Airbags abgestimmt sein.

Die Mittel zum Trennen des Zugmittels sind schiebebeweglich oder drehbeweglich gelagert und auf ihrem dem Band zugewandten Ende mit einer Schneide versehen. Durch Verschieben eines solchen Schneidelements mit einer bestimmten Kraft in Richtung Band, kann dieses auf sehr einfache Weise durchtrennt werden. Die Aktivierung des Schneidelements kann beispielsweise pyrotechnisch erfolgen. Eine pyrotechnische Auslösung hat den Vorteil, dass sie besonders schnell erfolgt.

Die Erfindung bringt den Vorteil mit sich, dass eine Vorrichtung zur Kraftbegrenzung geschaffen wird, die schaltbar ist und damit eine Anpassung auf verschiedenste Situationen bzw. Parameter ermöglicht. Das Schalten erfolgt jedoch nicht sprunghaft, wie bei bekannten Systemen, sondern degressiv. Dadurch wird ein sanfter Übergang von einer Kraftstufe auf die nächste geschaffen, bei dem kein Krafteinbruch auftritt. Wenn das erfindungsgemäße System in Verbindung mit einem Gurtsystem eingesetzt wird, wird demnach ein Einbruch der Insassenrückhaltung beim Umschalten von einem Kraftniveau auf ein anderes vermieden. Dadurch werden die Belastungen auf den Fahrzeuginsassen erheblich reduziert. Zudem kann die Rückhaltekraft intelligent auf die Unfallschwere und/oder die Konstitution von Fahrzeuginsassen sowie alle weiteren sinnvoll denkbaren Parameter angepasst werden, was einen erheblichen Beitrag zur Insassensicherheit leistet.

Gemäß einer Ausführungsform besteht das Zugmittel aus einem Metallband. Ein solches Band hat den Vorteil, dass es sich einfach und kostengünstig herstellen lässt. Über den Werkstoff kann zudem die Widerstandskraft angepasst werden, die unter anderem abhängig von der Festigkeit des Zugmittels ist.

Das Zugmittel kann einen konstanten Querschnitt aufweisen. Auf diese Weise wird eine Einflussgröße auf die Widerstandskraft reduziert und das System Kraftbegrenzer lässt sich leichter optimieren. Es ist aber auch denkbar, den Querschnitt des Zugmittels variabel zu gestalten. Auf diese Weise kann die Kennlinie des Widerstands über den Weg zusätzlich über diesen Parameter angepasst werden.

In dem Gehäuse kann ein Speicher für den Teil des Zugmittels vorgesehen sein, der sich über die Führungsbahn hinaus erstreckt. Dadurch wird gewährleistet, dass das Zugmittel sich nicht irgendwo in dem Gehäuse befindet, sondern gezielt aus dem Speicher in die Führungsbahn geleitet wird. Um einen Speicher aufzunehmen, kann es notwendig sein, die Form des Gehäuses entsprechend anzupassen. Im einfachsten Fall, besteht der Speicher aus einem in das Gehäuse eingebrachten Hohlraum. Der Hohlraum kann dann über eine Zuführstrecke mit der Führungsbahn verbunden sein. Der Speicher kann aber auch außerhalb des Gehäuses angeordnet sein.

Der Speicher kann im Querschnitt eine kreisförmige Form aufweisen. Dies ist besonders bei einem Zugmittel in Form eines Bandes vorteilhaft, weil das Band aufgerollt in einem solchen Speicher besonders platzsparend aufbewahrt und zudem durch ziehen an einem Ende des Bandes sehr einfach nachgeführt werden kann.

Gemäß einer Ausführungsform kann in der Führungsbahn ein Zugentlastungselement vorgesehen sein, welches zum Zeitpunkt des Trennens des Zugmittels den Widerstand herabsetzt, den die Führungsbahn dem sich in ihr bewegenden Zugmittel entgegensetzt. Das kann dann von Vorteil sein, wenn durch den Schneidvorgang, die Bewegung des Zugmittels kurzzeitig abgebremst wird. Ein solches Bremsen kann zu einer Erhöhung der Widerstandskraft führen. Wird jedoch gleichzeitig der Widerstand in der Führungsbahn bzw. der Zug durch ein Zugentlastungselement herabgesetzt, kann diese Krafterhöhung ausgeglichen werden.

Das Zugentlastungselement kann schiebebeweglich gelagert und so angeordnet sein, dass es zumindest teilweise in die Führungsbahn hineinragt. Wenn das Zugentlastungselement federbeaufschlagt ist, kann es so ausgelegt werden, dass es bei Überschreiten einer bestimmten Widerstandskraft nachgibt und somit der dem Zugmittel entgegengesetzt Widerstand diesen Grenzwert nicht überschreitet.

In manchen Unfallsituationen kann es auch von Vorteil sein, wenn die Rückhaltekraft sofort degressiv abnimmt. Für diese Fälle kann eine zusätzliche Schneidvorrichtung vorgesehen sein, die direkt vor der Führungskulisse angeordnet ist, so dass das Band direkt hinter dem Mitnehmer abgeschnitten wird.

Im folgenden wird die Erfindung anhand dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel des näheren erläutert. Es zeigen:
1: eine Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Kraftbegrenzung und
2: eine schematische Kraft-Zeit-Kennlinie einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Kraftbegrenzung.
In 1 ist eine Vorrichtung zur Kraftbegrenzung 1 dargestellt. Diese weist ein Gehäuse 2 auf. In einem Hohlraum 3 des Gehäuses 2 ist ein Mitnehmer in Form einer Welle 4 angeordnet. Die Welle 4 ist so gelagert, dass sie in dem Hohlraum 3 relativ zu dem Gehäuse 2 drehbar ist.
Des weiteren ist in das Gehäuse 2 eine Führungsbahn 5 eingebracht. Die Führungsbahn 5 erstreckt sich in Schlangenlinien zumindest teilweise etwa konzentrisch um die Welle 4 herum. Die Schlangenlinienform der Führungsbahn 5 entsteht durch eine Vielzahl von in die die Führungsbahn 5 bildenden Seitenwände hineinragenden Umlenkabschnitten 5a, die auf der anderen Seite der Führungsbahn 5 und versetzt zu Umlenkabschnitten 5b angeordnet sind. Die Führungsbahn 5 beginnt bei dem Hohlraum 3 und geht in einen Zuführabschnitt 6 über, der gerade verläuft. Der Zuführabschnitt 6 verbindet wiederum die Führungsbahn 5 mit einem Speicher 7. Der Speicher 7 ist als in das Gehäuse 2 eingebrachter Hohlraum ausgeführt. Er hat in der Schnittdarstellung eine kreisförmige Form.
Die Vorrichtung zur Kraftbegrenzung 1 weist weiterhin ein Zugmittel 8 auf, welches aus einem Metallband besteht. Das Zugmittel 8 ist mit seinem einen Ende 9 fest mit der Welle 4 verbunden. Dabei greift das Ende 9 in einen Einschnitt der Welle 4 ein. Ausgehend von diesem Einschnitt erstreckt sich das Metallband 8 zumindest teilweise um die Welle 4 herum, so dass bei Drehen der Welle 4 eine ausreichend große Umschlingungsreibung aufgebaut werden kann, die übermäßige Belastungen des Endes 9 des Bandes 8 vermeidet. Von der Welle läuft das Band 8 durch die Führungsbahn 5, dann weiter durch den Zuführabschnitt 5. Das Ende 11 und der restliche Teil des Bandes 8 sind aufgerollt in dem Speicher 7 bevorratet.
Die geometrische Gestaltung der Führungsbahn 5 ist so ausgelegt, dass sich das darin befindliche Metallband 8 dieser Struktur durch seine Form zumindest teilweise anpassen muss.
Das Metallband 8 liegt demnach in Schlangenlinien um die Umlenkabschnitte 5a und 5b in der Führungsbahn 5.
Weiterhin ist in dem Gehäuse 2 ein Zugentlastungselement 12 angeordnet. Dieses ist schiebebeweglich gelagert. Die Bewegungsrichtung A des Zugentlastungselementes 12 ist senkrecht zu der Erstreckung der Führungsbahn 5 an der Stelle, an der das Zugentlastungselement 12 platziert ist, ausgerichtet. Der Abschnitt 13 des Zugentlastungselementes 12, der zur Führungsbahn 5 hin ausgerichtet ist, weist dieselbe Form auf, wie die die Form der Führungsbahn 5 bildenden Umschlingungsabschnitte 5a und 5b. Das Zugentlastungselement 12 ist mit einer Federkraft beaufschlagt, die durch eine Feder 14 aufgebracht wird. Die Feder 14 ist so dimensioniert, dass sich das Zugentlastungselement 12 erst ab einer vorbestimmten Kraft aus dem Führungskanal 5 hinausbewegt.
Im Bereich des Zuführabschnitts 6 ist in dem Gehäuse 2 ein Schneidelement 15 angeordnet. Das Schneidelement 15 ist ebenfalls schiebebeweglich gelagert. Seine Bewegungsrichtung B ist senkrecht zum Verlauf des Metallbandes 8 in dem Zuführabschnitt 6 ausgerichtet. Das Schneidelement 15 weist auf seiner dem Metallband 8 zugewandten Seite eine Schneide 16 auf. Das Schneidelement 15 ist in einem Hohlraum 17 angeordnet. In diesen Hohlraum 17 kann mittels eines Gasgenerators 18 in kürzester Zeit ein hoher Druck erzeugt werden, der auf das schiebebeweglich angeordnete Schneidelement 15 einwirkt und dieses in Bewegung versetzt.
Im Folgenden wird die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Kraftbegrenzung erläutert. Wenn sich die Welle 4 entgegen dem Uhrzeigersinn relativ zum Gehäuse 2 dreht, so nimmt sie das Metallband 8 mit, wickelt es auf und zieht es dadurch durch die Führungsbahn 5. Durch die Bewegung entstehtdurch Reibung und Rollbiegung, die das Band an den Umlenkabschnitten 5a und 5b erfährt, eine der Bewegungsrichtung des Bandes entgegengesetzte Widerstandskraft. Diese Widerstandskraft ist zunächst einmal konstant, weil aus dem Speicher 7 immer neues Band 8 nachgeliefert wird und somit, die Strecke, über die das Band 8 durch die Führungsbahn gezogen wird, immer dieselbe ist.
Ist nun ein niedrigeres Kraftniveau erwünscht, so wird der Gasgenerator 18 aktiviert, wodurch der Druck in dem Hohlraum 17 sehr schnell ansteigt. Er wirkt flächig (dargestellt durch Pfeil C) auf den von dem Zuführabschnitt 6 wegweisenden Teil des Schneidelements 15 ein. Dadurch bewegt sich das Schneidelement 15 auf das Band 8 zu und durchtrennt dieses mit seiner Schneide 16. In der Zeit dreht sich die Welle 4 kontinuierlich weiter und zieht das Band 8 weiter durch die Führungsbahn 5 hindurch. Von dem Moment an, indem das Schneidelement 15 das Band 8 durchtrennt hat, nimmt die kontinuierlich Widerstandskraft ab, weil das Band 8 immer weiter aus der Führungsbahn 5 herausgezogen wird, so dass immer weniger Biegestellen des Stahlbandes 8 zu Verfügung stehen, die eine Widerstandskraft erzeugen können.
Bei dem Schneidvorgang kann unter Umständen nicht vermieden werden, dass das sich bewegende Band 8 kurzzeitig abgebremst wird. Weil dieses Abbremsen einen ungewollten Einfluss auf den Verlauf der Widerstandskraft haben kann, ist das Zugentlastungselement 12 vorgesehen, welches sich bei Überschreiten eines bestimmten Kraftniveaus entgegen der durch die Feder 14 aufgebrachten Federkraft aus der Führungsbahn 5 herausbewegt. Durch diese Bewegung wird das Metallband 8 an dieser Stelle nicht mehr so stark umgelenkt, so dass Reibungskraft und Biegewiderstand sinken, was sich insgesamt auf die Bilanz der Widerstandskraft auswirkt. Durch das Zugentlastungselement 12 kann demnach ein kurzzeitiges Abbremsen des Metallbandes 8 ausgeglichen werden.
Der Kraftverlauf einer erfindungsgemäßen Kraftbegrenzer-Vorrichtung ist in 2 dargestellt und wird im Folgenden erläutert. Solange der Kraftbegrenzer 1 nicht aktiviert wird, ist die Kraft gleich Null. Zum Zeitpunkt t₀ wird der Kraftbegrenzer 1 aktiviert und die Kraft steigt demzufolge bis zu einer Kraft F₁ an. Auf diesem Niveau verbleibt die Kraft zunächst einmal für eine gewisse Zeit, was auf den Nachschub des Metallbandes 8 zurückzuführen ist. Der Zeitpunkt t₁ stellt den Zeitpunkt der Aktivierung des Gasgenerators 18 und somit den Zeitpunkt der Durchtrennung des Metallbandes 8 dar. Von diesem Zeitpunkt an sinkt die Kraft kontinuierlich jedoch degressiv ab. Das Absinken der Kraft ist auf die immer kürzer werdende Länge des Metallbandes 8 zurückzuführen, die sich in der Führungsbahn 5 befindet. In dem dargestellten Diagramm sinkt die Kraft bis auf das Niveau F2 ab. Dieses Kraftniveau kann mit anderen üblichen Kraftbegrenzungsmitteln, beispielsweise einem Torsionsstab erzeugt werden.

Claims

Vorrichtung zur Kraftbegrenzung – mit einem Gehäuse, in das eine Führungsbahn eingebracht ist, – einem relativ zum Gehäuse drehbar angeordneten Mitnehmer, sowie – einem Zugmittel, welches an dem Mitnehmer festgelegt ist und sich ausgehend von dem Mitnehmer in der Führungsbahn erstreckt, wobei das Zugmittel länger ist als die Führungsbahn, so dass es sich über das vom Mitnehmer abgewandte Ende der Führungsbahn hinaus erstreckt und – einem Mittel zum Durchtrennen des Zugmittels, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zum Trennen (15) des Zugmittels (8) aus einem mit einer Schneide (16) versehenen schiebebeweglich angeordneten Element bestehet.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Zugmittel (8) ein Metallband ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Zugmittel (8) einen konstanten Querschnitt aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Speicher (7) für den sich über die Führungsbahn (5) hinaus erstreckenden Teil des Zugmittels (8) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zum Trennen (15) des Zugmittels zwischen der Führungsbahn (5) und dem Speicher (7) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein zusätzliches Mittel zum Trennen zwischen dem Mitnehmer und der Führungsbahn (5) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schneidelement (15) pyrotechnisch ausgelöst wird.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Führungsbahn (5) ein Zugentlastungselement (12) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Zugentlastungselement (12) schiebebeweglich gelagert und federbelastet ist.