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Stand der Technik
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Die
Erfindung geht aus von einer Gurtaufrolleinheit sowie einem Verfahren
zum Aufrollen von mindestens einem Gurtband sowie einem Gurtsystem
für ein Insassenschutzsystem in einem Fahrzeug mit mindestens
einer Gurtaufrolleinheit nach der Gattung der unabhängigen
Patentansprüche.
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Bei
einem Gurtsystem unterscheidet man je nach Anordnung unterschiedliche
Arten, wie beispielsweise einen Beckengurt, einen Schräg-Schultergurt,
einen Dreipunktgurt, einen 4- oder 6-Punkt Hosenträgergurt,
einen Beltbag, einen Bag-in-Belt oder Kombinationen dieser Gurtsysteme.
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Der
Dreipunktgurt, der einen auch als Retraktor bezeichneten Gurtaufroller
mit einem Gurtstraffer und je nach Ausführungsform auch
mit einem Gurtkraftbegrenzer umfasst, ist heute das am meisten verbaute
Gurtsystem. Im Gegensatz hierzu ist der reine Beckengurt, wie man
ihn heutzutage z. B. in Verkehrsflugzeugen findet, aus nahezu allen
Fahrzeuganwendungen verschwunden und ist in der Regel durch den
Dreipunktgurt ersetzt worden.
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Beim
Dreipunktgurt verläuft das Gurtband von einem Befestigungspunkt
am Sitzgestell oder meistens vom Fahrzeugboden ausgehend über
das Becken des Insassen. In der Schlosszunge befindet sich in heute
typischen Ausführungsvarianten eine Öse in der
das Gurtband umgelenkt wird und von da ab diagonal über
die Brust des Insassen nach oben geführt wird. Durch einen
Umlenkbeschlag, welcher sich in der Regel an der B-Säule
befindet, wird das Gurtband nach unten zum Gurtaufroller oder auch Gurtautomat
geführt. Alternativ findet man bei sitzintegrierten Gurtsystemen
diesen Umlenkbeschlag auch im Sitz selbst integriert. Weiterhin
werden alternative Gurtsysteme mit getrenntem Becken- und Schultergurt
eingesetzt, d. h. diese beiden Gurtsegmente werden in Höhe
der Gurtschlosszunge vernäht und jeweils von einem separaten
Aufroller angesteuert. Diese Systeme werden als Dual-Spool-Retraktoren
bezeichnet.
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Für
das Gurtband fordert man allgemein eine breite Form, um im Falle
einer Kollision eine für den Insassen erträgliche
Flächenpressung zu erhalten. Typischerweise besitzen die
Gurtbänder eine Querschnittsbreite von ca. 50 mm. Darüber
hinaus werden eine gute Bruch- und Rutschsicherheit und eine gute Umweltbeständigkeit
gefordert. Diese Parameter sind in der ECE-Regelung Nr. 16 festgelegt.
Der Sicherheitsgurt selbst besteht aus einem geflochtenen Garn,
meistens aus Polyester. Alternative Entwicklungen verfolgen ein
Bag-in-Belt bzw. Beltbag-Prinzip, bei dem ein gurtintegrierter Airbag
enthalten ist, der nach Entfaltung beispielsweise eine Rollenform einnimmt
und damit für eine noch idealere Flächenpressung
auf den Körper des Insassen sorgen kann. Die Bruchfestigkeit
eines Standardgurtes beträgt ungefähr 14.7 kN,
dieser wird jedoch in der Praxis meist für Kräfte
zwischen 25 kN und 30 kN ausgelegt.
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Der
im System integrierte Retraktor bzw. Gurtaufroller hat zur Aufgabe
dem Insassen im Fahrbetrieb ein hohes Maß an Komfort zu
bieten. Das auf einer Spule aufgewickelte Gurtband wird bei einer Vorwärtsbewegung
des Insassen, gegen eine geringe Rückzugsfederkraft freigegeben.
Hierbei beträgt die Kraft typischerweise 5 bis 10 N und
wird durch eine im Retraktor verbaute, vorgespannte Feder zur Verfügung
gestellt. Die Sperrung des Gurtbandes kann basierend auf den zwei
nachfolgenden Prinzipien gesteuert werden.
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Bei
einem ersten Prinzip sorgt ein Kugelsensor bei einer der ECE-Regel 16 entsprechenden Fahrzeugverzögerung
von mindestens 0.45 g oder bei einer Fahrzeugschräglage
für eine Aktivierung des Sperrmechanismus. Dabei wird eine
Stahlkugel in einer definierten Mulde ausgelenkt und sorgt für eine
mechanische Sperrung. Bei einem zweiten Prinzip wird bei einem Auszug
von 50 mm und einer gleichzeitigen Auszugsbeschleunigung von mehr
als 0.8 g ebenfalls ein Sperrmechanismus aktiviert. Hierbei dient
ein Feder-Masse-System als Sensorik, welches beispielsweise als
Fliehkraftregler realisiert und im Gurtaufroller verbaut ist.
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Da
der Insasse bei einem Unfall möglichst frühzeitig
an die Fahrzeugverzögerung angekoppelt werden soll, wird
typischerweise die überschüssige Gurtlose, die
beispielsweise aufgrund von dicker Kleidung bzw. komfortbedingt
entsteht, durch eine pyrotechnische Straffung nach Crashbeginn beseitigt.
Neuerdings werden reversible elektromechanische Aktuatoren (EMA)
als reversible Gurtstraffer eingesetzt, die in einer kritischen
Fahrsituation aktiviert werden und somit ein Mehr an überflüssiger Gurtlose
beseitigen, da sie vor dem Crash zum Einsatz kommen. Kommt es dennoch
zu einer Kollision, wird zusätzlich die pyrotechnische
Gurtstraffung aktiviert. Im Vergleich zur bisher bekannten pyrotechnischen
Gurtstraffung läuft die elektromotorische Straffung in
einem anderen Zeitbereich ab. So laufen die pyrotechnische Gurtstraffung
beispielsweise innerhalb von ungefähr 10 ms und die elektromechanische Gurtstraffung
innerhalb von ungefähr 200 ms ab. Generell können
bei Gurtstraffung unterschiedliche Prinzipien zum Einsatz kommen,
wie z. B. mechanische Gurtstraffer, die über einen Energiespeicher
aktiviert werden, pyrotechnische Straffer, Aufrollerstraffer, Langrohrstraffer
und Kurzrohrstraffer, Kugelstraffer, Gurtstraffer mit Wankelprinzip
und Aufrollerstraffer mit Zahnstange sowie Schlossstraffer und Endbeschlagsstraffer.
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Durch
die gezielte Ankopplung kann es zu sehr starken Belastungen für
den Insassen vorwiegend im Kopf- und Thoraxbereich kommen. Diese Belastungsspitzen
können zu teilweise schweren Verletzungen führen
und sollen beispielsweise durch Gurtkraftbegrenzer reduziert werden.
Hierbei basiert das Prinzip der Gurtkraftbegrenzung auf einer Freigabe
des Gurtbandes ab einer bestimmten wirkenden Gurtbandkraft F von
beispielsweise mehr als 3.0 bis 4.5 kN. Generell kann die Kraftbegrenzung
durch mechanische Energiewandlungsprinzipien, wie beispielsweise
durch Zerstörung, z. B. durch Reißnähte am
Gurtband oder Reißbleche, oder durch Verformung, z. B.
durch Torsionsstäbe im Aufroller, oder durch Reibung, z.
B. durch Lamellenbremsen, teilweise auch mehrstufig erfolgen. Durch
die beschriebenen Maßnahmen soll gewährleistet
werden, dass die Energieaufnahme bei gleichbleibender Gurtkraft mittels
zunehmender Vorverlagerung des Insassen erfolgt, d. h. dass der
Frontairbag ab einem bestimmten Zeitpunkt beispielsweise nach einer
Zeitspanne von ungefähr 40 bis 60 ms den Insassen vom Gurtsystem ”übernimmt”.
Dabei soll die kinetische Energie des Insassen beim Crash möglichst
günstig auf die Komponenten des Insassenschutzsystems und des
Innenraums verteilt werden.
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Die
heute eingesetzten Systeme reduzieren die Gurtkraft beispielsweise über
eine Mechanik auf Basis eines gekoppelten Torsionsstabs oder über eine
Keilbremse. Beispielsweise wird in der Offenlegungsschrift
DE 44 36 810 A1 ein
Sicherheitsgurtaufroller vorgeschlagen, bei dem ein energieabsorbierendes
Element als Kraftbegrenzungseinrichtung vorgesehen ist. Dabei ist
dieses Element in der Gurtspule angeordnet und mit einem Wellenstück
der Gurtspule derart verbunden, dass dies eine Drehung der Gurtspule
aufgrund eines Gurtbandauszuges zulässt. Dabei nimmt das
Absorptionselement die durch das Gurtband eingeleitete Energie auf
und wirkt somit als Lastbegrenzer, da er die auf den Körper
einwirkende Rückhaltekraft aufgrund seiner Energieabsorptionsfähigkeit
begrenzt. Hierdurch wird die Gurtkraft in einer passiven Art gemessen
bzw. sofort auf dieser Basis eine Ansteuerung vorgenommen. Die passive
Messung der Kraft bezieht sich dabei auf die mechanisch mögliche
und eingestellte Begrenzerkraft, ab der aufgrund der Ausführung
bzw. den Materialeigenschaften des Absorptionselements eine Sollverformung
beginnt.
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In
der Offenlegungsschrift
DE 10 2004 053 305 A1 wird beispielsweise
ein Gurtaufroller für ein Fahrzeugsicherheitssystem vorgestellt,
welches eine im Rahmen drehbar gelagerte Gurtspindel und eine neben
der Gurtspindel angeordnete Bremsvorrichtung aufweist. Diese Bremsvorrichtung
wird durch eine drehbar angeordnete Bremsscheibe gebildet, welche
eine gegenüber dem eigentlichen Bremselement verdrehbare
Stellscheibe aufweist. Die Bremsvorrichtung ist dabei so ausgelegt,
dass eine Verdrehung der Stellscheibe eine Verschiebung des ersten Bremselements
bewirkt, so dass das Bremselement innerhalb der Anlage an die Bremsscheibe
kommt. Dies bedeutet, dass die Drehung zunächst gebremst wird,
um sie dann wieder in ihrer Nachgiebigkeit zu steuern.
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In
der
WO 2007/025958
A1 wird beispielsweise ein Sicherheitsgurtsystem für
ein Kraftfahrzeug vorgestellt, welches eine Gurtrolle mit Gurtband und
einen Aktuator umfasst, der eine betätigbare Bremsanordnung
zur Abbremsung einer Bewegung aufweist. Auch hier wird zunächst
eine Drehung abgebremst, um sie dann wieder in ihrer Nachgiebigkeit zu
steuern.
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In
der
EP 15 44 062 A1 wird
ein System beschrieben, bei dem eine Gurtkraftbegrenzung auf Basis
eines Reibprinzips umgesetzt wird. Dazu wird ein bolzenförmiger
Körper motorgesteuert und senkrecht in Richtung des parallel
zur B-Säule auslaufenden Gurtbandes geschoben, um so durch
den Kontakt zwischen Bolzen und Gurtband auf der einen Seite sowie
Gurtband und Gurtautomatenrahmen auf der anderen Seite die Reibungskräfte
anzupassen. Letztendlich wird durch die Steuerung der Reibungskräfte das
Kraftbegrenzungsniveau festgelegt.
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In
der
KR 2007030053 wird
ein Kraftbegrenzungssystem vorgestellt, welches auch ohne die heute
noch in solchen Systemen weit verbreiteten Torsionselemente auskommt.
Dabei wird ähnlich den torsionselement-basierten Systemen
das Kraftbegrenzungsniveau auf Basis der Verformungscharakteristik
einer verformbaren Gurtspindel umgesetzt.
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Die
Lastbegrenzungssysteme auf Basis von Torsionselementen sind heutzutage
die am weitest verbreiteten und eingesetzten Systeme. Die Gurtkraftbegrenzung
erfolgt hierbei auf mechanische Art, indem das Torsionselement bei
Erreichen eines bestimmten Schwellwertes eine Sollverformung durchführt.
Die Kraftbegrenzung durch Torsionsstäbe wird jedoch bereits
bei der Entwicklung entsprechend konstruktiv und materialbehaftet
umgesetzt, d. h. die Systeme erlauben nur geringe Variationen in
ihrem Begrenzungsniveau und weisen in Bezug auf das Material sehr
geringe Toleranzen auf. Die Einstellungen der Charakteristik werden
in Abstimmung mit dem Automobilhersteller und anderen Systemlieferanten
ausgeführt und sind oft sehr aufwändig. Des Weiteren
ist eine variable Gurtkraftbegrenzung in dem Sinne, dass sie an
einen bestimmten Insassen anpassbar ist und damit eine Individualisierung
des Systems erlaubt, nicht möglich. Dies liegt vornehmlich
daran, dass bedingt durch die konstruktive Ausbildung die Kraftbegrenzung
mehr oder weniger keine Abstufung und damit Variabilität
erlaubt, sondern meist nur 1- oder 2-stufig ausgebildet werden kann. Hintergrund
ist die relativ komplexe Kombination unterschiedlicher Torsionselemente
und der damit verbundenen Anpassung der Torsionssteifigkeit um ein bestimmtes
Kraftniveau zu erreichen. Die Kombination der unterschiedlichen
Elemente erfordert entsprechende Stellelemente oder Kupplungen,
welche die Konstruktion insgesamt aufwändig gestalten.
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Die
Auslegung des Systems erfolgt typischerweise auf Personen mit Durchschnittswerten
in Körpergröße und Körpermasse
sowie deren Sitzposition relativ zum Airbagmodul. Weiterhin ist
das oberste Lastbegrenzungsniveau normalerweise an die biomechanischen
Grenzwerte älterer Insassen angepasst und motiviert damit
deutlich das Individualisierungspotenzial der gesamten Gurtkraftbegrenzung. Typischerweise
definieren eben diese Größen eines älteren
Menschen diesen Grenzwert, da sie sich an der Knochenstruktur einer
60-jährigen Person ausrichten, welche in der Regel keine
größeren Kraftniveaus im Schulter- und Thoraxbereich
erträgt. Je nach Crashsituation und Insasse könnte
jedoch ein erhöhtes Kraftniveau durchaus zugelassen werden, da
jüngere Personen ein deutlich höheres Kraftniveau
abbauen können.
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Offenbarung der Erfindung
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Die
erfindungsgemäße Gurtaufrolleinheit bzw. das erfindungsgemäße
Verfahren zum Aufrollen von mindestens einem Gurtband mit den Merkmalen des
unabhängigen Patentanspruchs 1 hat demgegenüber
den Vorteil, dass die Bremsanordnung als Trommelbremse ausgeführt
ist, die über einen einstellbaren Reibschluss mit der Spindel
gekoppelt ist, wobei im Normalfall ein maximaler Reibschluss eingestellt
ist. Der wesentliche Vorteil dieser Erfindung liegt in einer beliebig
einstellbaren und variablen Gurtkraftbegrenzung auf Basis eines
Bremsprinzips bzw. eines reibgesteuerten ”Lös-Prinzips”,
welches seine Wirkung an der Spindel entfaltet und damit großflächig
angreift. In vorteilhafter Weise ist hierdurch eine variable Gurtkraftbegrenzung
möglich, indem aus einem blockierten Zustand der Spindel
eine selektiv steuerbare Reduktion der Gurtkraft ermöglicht
wird. Dies wird über eine Anpassung der auftretenden Reibungskräfte
zwischen Gurtband und Spindel erreicht.
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Erfindungsgemäß wird
bei Blockade des Gurtbandes die um einen Drehkörper gelagerte
Spindel mit Hilfe des Trommelbremsenprinzips anfänglich gänzlich
und später steuerbar in ihrer Drehung gehindert und somit
eine Gurtkraftbegrenzung ermöglicht. Dabei wird auf Basis
des Trommelbremsenprinzips und entsprechend eingesetzten Reibelementen
eine Normalkraft auf die Spindel ausgeübt. Hierdurch wird auf
Basis der Reibgesetze durch dem Gurtauszug entgegengesetzte, umfänglich
wirkende Reibungskräfte eine steuerbare Bremswirkung erzielt,
vergleichbar einer Trommelbremse bei einem Fahrzeug an der Hinterachse.
Mittels dieses Prinzips ist es damit möglich ein voll variables
und im Idealfall stufenloses Gurtkraftbegrenzungsniveau einzustellen
und dieses insbesondere auch während der Fahrt kollisions-,
insassen-, innenraum- und fahrsituationsabhängig einzustellen.
Bauartbedingt verfugt die Trommelbremse über eine Selbstverstärkung
bzw. auch Selbstschwächung, abhängig von der Lagerung
der mindestens einen Bremsbacke auf der Spindel bzw. der Kopplung
der mindestens einen Bremsbacke mit der Spindel. Je nachdem, ob
die Bremsbacke auflaufend oder ablaufend ausgeführt ist,
tritt eine Selbstverstärkung oder eine Selbstschwächung
ein. Damit lässt sich eine variable Kraftbegrenzung durchführen.
Somit muss keine aufwändige elektronische Regelung durchgeführt
werden, um wie bei einer selbstverstärkenden Bremse einen
Keil vor der Selbstverstärkung zu hemmen, da bauartbedingt
bereits eine Selbstverstärkung erfolgt. Ebenfalls von Vorteil
sind die geringen Kosten, die bei der Umsetzung des Trommelbremsenprinzips
zu erwar ten sind, da hierbei auf Normteile zurückgegriffen
werden kann und es sich ohnehin um ein kostengünstiges
Bremsprinzip handelt.
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Ein
weiterer Vorteil ist die hohe Adaptivität die ein derartiges
System besitzt, da das Prinzip auf unterschiedliche Spindelformen
angewendet werden kann. Die erfindungsgemäße Lösung
ermöglicht somit in vorteilhafter Weise eine Reduktion
von Belastungsspitzen insbesondere im Thoraxbereich eines Fahrzeuginsassen
und damit einhergehend geringere Verletzungen im Brustbereich. Dies
führt letztendlich zur Steigerung der Effektivität
eines passiven Rückhaltesystems.
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Durch
die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten
Maßnahmen und Weiterbildungen sind vorteilhafte Verbesserungen
der/des im unabhängigen Patentanspruch 1 bzw. 11 angegebenen
Gurtaufrolleinheit bzw. Verfahrens möglich.
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Besonders
vorteilhaft ist, dass die Trommelbremse mindestens teilweise in
der Spindel angeordnet ist. Hierdurch ergibt sich eine bauraum-
und kostensparende Ausführung der erfindungsgemäßen Gurtaufrolleinheit,
indem ohnehin vorhandener Bauraum sinnvoll genutzt wird. Ferner
ist hierdurch in vorteilhafter Weise eine variable Gurtkraftbegrenzung
möglich, indem aus einem blockierten Zustand der Spindel
eine selektiv steuerbare Reduktion der Gurtkraft ermöglicht
wird. Dies wird über eine Anpassung der innerhalb der Spindel
oberflächig auftretenden Reibungskräfte zwischen
Gurtband und Spindel erreicht. In vorteilhafter Weise ist die Reibwirkung
auf den flächigen Bereich innerhalb der Spindel begrenzt.
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In
Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Gurtaufrolleinheit
weist die Trommelbremse mindestens eine Bremsbacke auf, welche eine
Innenseite der hohlen Spindel beaufschlägt. Vorzugsweise
weist die Trommelbremse mehrere Bremsbacken auf, welche die Spindel
beaufschlagen. Hierbei werden in der sich drehenden bzw. blockierenden
Spindel die an einer Achse der Spindel montierten Bremsbacken an die
Innenseite der Spindel kontrolliert angedrückt und steuerbar
losgelassen. Wesentlich dabei ist, dass die Bremsbacken über
diesen einstellbaren Reibschluss mit der Spindel gekoppelt und damit
die Bremsbacken und die Spindel kraftschlüssig miteinander
verbunden sind.
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Bevorzugt
weist die mindestens eine Bremsbacke einen Grundkörper,
mindestens einen auf dem Grundkörper aufgebrachten Bremsbelag
und einen Steller zur Ansteuerung des Grundkörpers auf.
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Die
Ansteuerung der Trommelbremse bzw. der mindestens einen Bremsbacke
kann beispielsweise mechanisch und/oder pneumatisch und/oder hydraulisch
und/oder elektrisch erfolgen.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die erfindungsgemäße
Gurtaufrolleinheit mindestens ein Übertragungselement auf,
welches dazu vorgesehen ist, die Bremskraft von einer angesteuerten
Bremsbacke auf mindestens eine weitere Bremsbacke zu übertragen.
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In
einer weiteren Ausgestaltung weist die erfindungsgemäße
Gurtaufrolleinheit eine weitere Achse zur drehbaren Lagerung der
Trommelbremse auf. Hierdurch ist in vorteilhafter Weise sichergestellt, dass
eine unabhängige Rotation zwischen Spindel und Bremsanordnung
bzw. Trommelbremse erfolgen kann.
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In
vorteilhafter Weise sind die beiden Achsen über Koppelmittel
miteinander koppelbar. Bevorzugt erfolgt die Kopplung über
eine Mechanik oder ein Getriebe, wie beispielsweise über
eine Rutschkupplung oder ein Zahnrad.
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In
vorteilhafter Weise bremst die Trommelbremse außerhalb
des Crashfalls und wird während des Crashfalls gelöst.
Hieraus ergibt sich ein Reibschluss zwischen Trommelbremse und Spindel
und die Trommelbremse dreht mit der Spindel mit. Im Crashfall blockiert
die Spindel, wodurch sich die Trommelbremse löst, indem
der Reibschluss aufgehoben wird. In vorteilhafter Weise ergibt sich
hierdurch mehr Gurtauszug. Durch eine entsprechende Auslegung der
Komponenten ist eine gezielte Kraftreduktion erreichbar. Dies bedeutet,
dass während der Kollision die Gurtkraft entsprechend abgeschwächt
werden kann, ein weiterer Gurtauszug möglich wird und somit
eine weitere Vorverlagerung des Insassen erzielt wird.
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Ein
bevorzugtes Gurtsystem für ein Insassenschutzsystem in
einem Fahrzeug mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs
10 weist mindestens eine Gutaufrolleinheit mit mindestens einem
Gurtband und mindestens einem in einer Befestigungseinheit gelagerten,
korrespondierenden Aufrollmodul mit einer drehbar gelagerten Spindel,
auf der das Gurtband aufrollbar ist, wobei eine im Crashfall in
dem mindestens einen Gurtband wirkende Kraft durch eine Bremsanordnung
begrenzbar ist, und wobei die Bremsanordnung als Trommelbremse ausgeführt
ist, die über einen einstellbaren Reibschluss mit der Spindel
gekoppelt ist, wobei im Normalfall ein maximaler Reibschluss eingestellt
ist.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in
der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt
ein schematisches Blockdiagramm eines Gurtsystems für ein
Insassenschutzsystem mit einer erfindungsgemäßen
Gurtaufrolleinheit.
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2 zeigt
eine schematische Querschnittdarstellung der erfindungsgemäßen
Gurtaufrolleinheit in einer ersten Ausführungsform.
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3 zeigt
eine schematische Querschnittdarstellung der erfindungsgemäßen
Gurtaufrolleinheit in einer zweiten Ausführungsform.
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4 zeigt
eine schematische Längsschnittdarstellung der erfindungsgemäßen
Gurtaufrolleinheit in einer zweiten Ausführungsform.
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Ausführungsformen
der Erfindung
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Wie
aus 1 ersichtlich ist, umfasst ein Gurtsystem für
ein Insassenschutzsystem in einem Fahrzeug 34 ein Sensorsystem 36,
eine Sensoreinheit 42, ein Steuersystem 38 und
mindestens ein Rückhaltemittel, das eine Gurtaufrolleinheit 10 mit Aufrollmodul 16 und
korrespondierendem Gurtband 12 umfasst. Über die
im Bereich der Gurtaufrolleinheit 10 angeordnete Sensoreinheit 42 ermittelt
das Steuersystem 38 die in dem mindestens einen Gurtband 12 wirkende
Kraft F. Zusätzlich sensiert das Sensorsystem 36 Informationen über
einen Fahrzeuginnenraum, ein Fahrzeugumfeld, einen Aufprall und/oder
Fahrzeugdynamikgrößen. Das Steuersystem 38 empfängt
die erfassten Informationen vom Sensorsystem 36 und wertet
die empfangenen Informationen zur Ermittlung einer aktuellen Fahrsituation aus,
wobei das Steuersystem 38 die ermittelte aktuelle Fahrsituation
dahin gehend auswertet, ob eine Aktivierung des mindestens einen
Rückhaltemittels erforderlich ist oder nicht. Die empfangenen
Informationen über Fahrdynamikgrößen
in Verbindung mit den Informationen aus dem Fahrzeugumfeld ermöglichen
dem Steuersystem 38 eine vorausschauende Ansteuerung von
reversiblen Rückhaltemitteln, wenn die Wahrscheinlichkeit
für eine mögliche Kollision, wie beispielsweise
einen Aufprall auf ein Hindernis, einen vorgegebenen Schwellwert übersteigt.
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Im
dargestellten Ausführungsbeispiel ist das mindestens eine
Rückhaltemittel als Gurtaufrolleinheit 10 mit
mindestens einem Gurtband 12 und mindestens einem korrespondierenden
Aufrollmodul 16 ausgeführt, das in einer Befestigungseinheit 44 gelagert
ist, wobei natürlich auch weitere Rückhaltemittel wie
beispielsweise Airbags und/oder eine Sitzaktuatorik vorhanden sein
können. Bei dem Gurtband 12 kann es sich sowohl
um ein Schultergurtband als auch um ein Beckengurtband handeln.
In 1 ist beispielhaft eine Gurtaufrolleinheit 10 dargestellt,
wobei im Fahrzeug 34 in der Regel mehrere Gurtaufrolleinheiten 10 angeordnet
sind, da für jeden Gurt im Fahrzeug 34 eine solche
erfindungsgemäße Gurtaufrolleinheit 10 vorgesehen
wird. Die Funktionsweise der Gurtaufrolleinheit 10 passt
sich ohne Probleme in ein bestehendes Rückhaltesystemkonzept
bestehend aus Sensorsystem 36, Sensoreinheit 42,
Steuersystem 38 und Rückhaltemittel 10, 12 ein.
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Das
in der Befestigungseinheit 44 gelagerte Aufrollmodul 16 besitzt
eine in den 2 bis 4 sichtbare,
auf einer Achse 14a, 14b drehbar gelagerte Spindel 18a, 18b auf
der das Gurtband 12, 12a, 12b aufrollbar
ist, wobei eine im Crashfall in dem mindestens einen Gurtband 12, 12a, 12b wirkende
Kraft F begrenzt wird. Das Aufrollmodul 16 wirkt auf das korrespondierende
Gurtband 12, 12a, 12b ein, welches bei
einer Kollision, wie beispielsweise einem Front-, Seiten- oder Heckcrash,
einem Überschlag usw. eine entsprechende Rückhaltewirkung
auf den Insassen ausübt. Zum Messen der im Gurtband 12, 12a, 12b wirkenden
Kraft F wird die Sensoreinheit 42 verwendet, welche die
aktive Gurtkraft F vorzugsweise kontinuierlich auf Basis eines Hall-Sensor-Prinzips
in Kombination mit einem iBolt-Mechanismus erfasst. In herkömmlichen
Gurtaufrolleinheiten erfolgt die Messung der Gurtkraft F überwiegend
in passiver Form, indem beispielsweise ein Torsionsstab als Basiskomponente
eines Gurtkraftbegrenzungsmoduls verwendet wird, welcher über
definierte Sollverformungsschwellen ab einem bestimmten Kraftniveau zur
Kraftbegrenzung verdreht wird. Dadurch wird letztendlich schon bei
der Produktion des Gurtkraftbegrenzungsmoduls eine fest vordefinierte
Charakteristik fixiert.
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Damit
wird die Gurtkraft F nicht explizit bestimmt, sondern zur direkten
Reaktion verwendet. Ausgehend von den entsprechenden Verformungen könnte
nach Einsatz der Rückhaltemittel nach dem Crash geprüft
werden, welche Schwelle erreicht wurde soweit diese Komponenten
nicht anderweitig zerstört wurden.
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Um
eine im Crashfall in dem mindestens einen Gurtband 12, 12a, 12b wirkende
Kraft F zu begrenzen, ist eine Bremsanordnung 20, 20a, 20b vorgesehen,
die in den 2 bis 4 näher
dargestellt ist, wobei 2 eine einachsige Ausführung
und die 3 und 4 eine zweiachsige
Ausführung offenbaren.
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Erfindungsgemäß ist
die Bremsanordnung als Trommelbremse 20, 20a, 20b ausgeführt,
die über einen einstellbaren Reibschluss mit der Spindel 18a, 18b gekoppelt
ist, wobei im Normalfall ein maximaler Reibschluss eingestellt ist.
In den beiden Ausführungsbeispielen ist die Trommelbremse 20, 20a, 20b in
der hohlen Spindel 18a, 18b angeordnet.
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2 zeigt
ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Gurtaufrolleinheit 10a in einer schematischen Querschnittsdarstellung.
Hierbei ist die Trommelbremse 20a auf der Achse 14a der Spindel 18a drehbar
gelagert. Die 3 und 4 zeigen
ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Gurtaufrolleinheit 10b, wobei 3 eine schematische
Querschnittdarstellung und 4 eine schematische
Längsschnittdarstellung der erfindungsgemäßen
Gurtaufrolleinheit 10b darstellt. Hierbei ist die Trommelbremse 20b auf
einer weiteren Achse 32b drehbar gelagert, welche die Achse 14b der
Spindel 18b umgibt. Die beiden Achsen 14b, 32b sind über
hier nicht dargestellte Koppelmittel miteinander koppelbar.
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Die
Trommelbremse 20, 20a, 20b weist zwei Bremsbacken 22a, 22b, 24a, 24b auf,
welche eine Innenseite der hohlen Spindel 18a, 18b beaufschlagen.
D. h. die Trommelbremse 20, 20a, 20b ist
als sogenannte Innenbackenbremse ausgeführt. Jede Bremsbacke 22a, 22b, 24a, 24b weist
einen Grundkörper 26a, 26b, 27a, 27b,
mindestens einen auf dem Grundkörper 26a, 26b, 27a, 27b aufgebrachten Bremsbelag 28a, 28b, 29a, 29b und
einen Steller 40, 40a, 40b zur Ansteuerung
des Grundkörpers 26a, 26b, 27a, 27b auf.
In den vorliegenden Ausführungsbeispielen besteht der Steller
bevorzugt aus steuerbaren Federelementen 40, 40a, 40b.
Die Ansteuerung der mindestens einen Bremsbacke 22a, 22b, 24a, 24b kann
nicht nur mechanisch, sondern auch pneumatisch und/oder hydraulisch
und/oder elektrisch erfolgen. Insbesondere können die Bremsbacken 22a, 22b, 24a, 24b unabhängig
voneinander angesteuert werden. Zusätzlich kann die erfindungsgemäße
Gurtaufrolleinheit ein hier nicht dargestelltes Übertragungselement
aufweisen, welches dazu vorgesehen ist, die Bremskraft von einer
angesteuerten Bremsbacke 22a, 22b, 24a, 24b auf
mindestens eine weitere Bremsbacke 22a, 22b, 24a, 24b zu übertragen.
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Die
Steuerung der Trommelbremse 20, 20a, 20b kann
in Abhängigkeit eines Signals aus dem Steuersystem 38 erfolgen.
Vorzugsweise wird das Steuersystem 38 in Form eines Steuergeräts
ausgeführt, das beispielsweise als Airbagsteuergerät
ausgeführt ist, wobei auch andere Steuergeräte
zur Ansteuerung denkbar sind. Hierbei sieht das Steuersystem 38,
wie oben bereits ausgeführt ist, die Erfassung der Gurtkraft
F vor, welche hier beispielsweise über die im Bereich der
Gurtaufrolleinheit 10, 10a, 10b angeordnete
Sensoreinheit 42 erfolgt. Durch einen Auswertealgorithmus
wird ein entsprechendes Signal generiert, welches einen Aktuator 30 ansteuert,
der die Trommelbremse 20, 20a, 20b und
den korrespondierenden Steller 40, 40a, 40b zur
Ansteuerung der Trommelbremse 20, 20a, 20b umfasst. Vorzugsweise
bietet die erfindungsgemäße Gurtaufrolleinheit 10, 10a, 10b die
Möglichkeit, nicht nur so wie bisher vor dem Crash bzw.
kurz danach, sondern auch während des gesamten Crashverlaufs
rückkoppelnd auf die Gurtkraftniveaus einzuwirken.
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Eine
erste mögliche Umsetzung einer Begrenzung der Kraft F sieht
das Steuersystem 38 vor, welches vorzugsweise das Airbagsteuergerät
ist, in dem Kollisionssignale über das Sensorsystem 36 erfasst
und ausgewertet werden. Andere Steuergeräte, welche eine
Kollisionserfassung durchführen, können ebenfalls
verwendet werden. Weiterhin dienen Signale, die beispielsweise physikalische
Größen wie Beschleunigung und/oder Druck und/oder
Körperschall und/oder Temperatur repräsentieren,
zur Kollisionserfassung und können entsprechend verwendet
werden. Zukünftig ist es denkbar, dass Umfeldsensierungssysteme
ebenfalls eine drohende Kollision erfassen und entsprechend im Steuergerät 38 je
nach erwarteter Kollisionsschwere zur Beurteilung und Ansteuerung
von Rückhaltemitteln herangezogen werden. Ebenfalls können
andere Fahrzeugsysteme, wie beispielsweise Fahrdynamikregelsysteme
entsprechende Information zur Auswertung an das Steuersystem 38 senden.
Darüber hinaus können auch Navigationsdaten zur
Entscheidungsfindung verwendet werden. Weiterhin können
als Eingangssignale auch insassenrelevante Größen
herangezogen werden, wie z. B. Gewicht, Alter, Geschlecht oder Größe.
Zusätzlich bietet sich die Verarbeitung von innenraumrelevanten
Daten an, wie z. B. Sitzposition in Längsrichtung, Sitzlehneneinstellung,
Sitzposition des Insassen relativ zum Sitz usw. Außer den
oben erwähnten Eingangsdaten dient die gemessene Gurtkraft
F als Kerneingangssignal, zumal sich darüber die entsprechenden
Gurtkraftniveaus bzw. das Erreichen dieser Gurtkraftniveaus ermitteln lassen.
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Vor
und während der Kollision wird die Gurtkraft F kontinuierlich,
beispielsweise mit einer Abtastrate von mindestens 1 bis 2 kHz gemessen
und zur Einstellung eines bestimmten Gurtkraftniveaus ein entsprechendes
Steuersignal an den Aktuator 30 gesendet. Das Signal kann
eine Spannung und/oder eine Information sein, derart, dass ein im
Aktuator 30 verwendeter Steller 40, 40a, 40b ein
Stellsignal für die Trommelbremse 20, 20a, 20b generiert,
die mit einer über das Stellsignal vorgegebenen variablen Kraft
auf die Spindel 18a, 18b wirkt.
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Die
erfindungsgemäße Idee, deren Umsetzung und Wirkungsweise
ist unter Berücksichtigung der im Gurtband 12, 12a, 12b wirkenden
Gurtkraft F und der einstellbaren Reibungskraft FR und
der in den Abbildungen schematisch skizzierten Prinzipien im Folgenden
kurz zusammengefasst.
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Im
Normalbetrieb wird das Gurtband 12, 12a, 12b über
eine hier nicht sichtbare Rückzugsfeder von vorzugsweise
10 N angezogen, um den Komfortbetrieb aufrecht zu erhalten. Somit
gilt 10 N = F » FR. Die Spindel 18a, 18b ist
somit frei drehbar.
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Im
Bremsbetrieb ergibt sich eine Beschleunigung in Fahrzeuglängsrichtung > 0.45 g. Das Gurtband 12, 12a, 12b wird
auf Basis der Trägheitswirkung, üblicherweise über
eine Kugel am Aufrollmodul blockiert. Ein Fahrzeuginsasse verlagert
sich dadurch nach vorne und beaufschlagt das Gurtband 12, 12a, 12b mit
einer Gurtkraft F welche viel kleiner ist als die Reibungskraft
FR. Somit gilt F « FR.
Damit kann sich die Gurtspindel 18a, 18b nicht
mehr um ihre eigene Achse 14a, 14b drehen.
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Im
Crashfall im Initialzustand, der maßgeblich von der Blockade
des Gurtbandes 12, 12a, 12b, als auch
von der Information, dass eine Kollision stattfindet abhängt,
liegen die Bremsbacken 22a, 22b, 24a, 24b weiterhin
kraftschlüssig an der Innenwand der Spindel 18a, 18b an.
Damit sind die Reibungskräfte FR bedingt
durch den Anpressdruck, d. h. bedingt durch die senkrecht zu einer
Umfangsrichtung wirkenden Normalkräfte höher als
die anliegende Gurtkraft F durch die Vorverlagerung des Insassen.
Es gilt hier also Insassenvorverlagerungskraft F < 4,5 kN = FR, bei Annahme eines Gurtkraftbegrenzerniveaus
von FR = 4.5 kN. Erst bei Erreichen des Gleichgewichts-
bzw. Ungleichgewichtszustan des FR ≤ F
wird die Reibung überwunden und die Spindel 18a, 18b bewegt
sich wieder mehr oder weniger unabhängig von dem Grundkörper 26a, 26b, 27a, 27b und
den aufgesetzten Bremsbelägen 28a, 28b, 29a, 29b abhängig
von der Ansteuerung.
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Im
zweiten Ausführungsbeispiel ist die eigentliche Achse 14b der
Spindel 18b weiterhin blockiert. Ab diesem Zeitpunkt kann
sich die Spindel 18b um die vorzugsweise parallele Achse 32b der
Bremsanordnung 20, 20b drehen.
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Steuerungsmöglichkeiten
für die Reibungskräfte und damit für
die Gurtkraftniveaus bestehen zum Beispiel in den beiden nachfolgend
aufgeführten, prinzipiell unterschiedlichen Vorgehen bzw.
einer Kombination beider Prinzipien.
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Ein
erstes Prinzip betrifft eine vordefinierte Materialcharakteristik
und -aufbau der Reibelemente. Der Kraft-Wegverlauf des Materials
ist vorgegeben, beispielsweise auf Basis unterschiedlicher Schichten für
unterschiedliche Kraftniveaus. Die Abnutzung des Abriebs bedingt
durch den Reibungseffekt kann kraft- und damit verformungsgemäß berechnet
werden und zur optimalen Anpassung der entsprechenden Gurtkraftniveaus
und des möglichen bzw. erlaubten Gurtauszugs herangezogen
werden. Zusätzlich können die Reibelemente je
nach Kraftniveau z. B. durch Temperatur usw. vorkonditioniert werden.
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Ein
zweites Prinzip betrifft die durch einen Aktuator kontrollierbaren
Federkräfte. Diese Federkräfte wirken normal zur
Bewegungsrichtung der Spindel 18a, 18b, welche
der Drehachse der Bremsanordnung entspricht, und kontrollieren damit
die Reibungskräfte. Hierbei ist der Einsatz eines Materials
für die Reibelemente möglich, welches vom Aufbau
und der Fertigung einfach ausgestaltet sein könnte.
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Die
hier für die Reibelemente eingesetzten Materialien sind
in Anlehnung an eine Trommelbremse definiert. Dadurch ergeben sich
in der Auslegung der Bremse die typischen Abhängigkeiten
in den Bremsenkennwerten, die im Wesentlichen von den nachfolgend
aufgeführten Komponenten abhängig sind.
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Die
Bremsenkennwerte sind abhängig vom Reibbeiwert μB zwischen Bremsbelag und Spindel, wobei
der Reibbeiwert μB abhängig
ist von der Belagtemperatur, der Relativgeschwindigkeit zwischen
Belag und Spindel, der Belagflächenpressung, der Belagart
sowie Zusammensetzung und dem Gegenreibwerkstoff, d. h. dem Reibbeiwert
der Spindel.
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Die
Bremsenkennwerte sind ferner abhängig von der Drehrichtung
der Spindel hinsichtlich auf- oder ablaufender Bremsbacken, von
der Lage der Backenabstützpunkte und der Art der Abstützung, von
der Anordnung der Bremsbacken bzw. der Bremsenbauart und vom Belagwinkel
sowie der Belagwinkelsymmetrie.
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Durch
eine entsprechende Auslegung der Komponenten ist eine gezielte Kraftreduktion
erreichbar. Dies bedeutet, dass während der Kollision die Gurtkraft
F entsprechend abgeschwächt werden kann, ein weiterer Gurtauszug
möglich wird und somit eine weitere Vorverlagerung des
Insassen erzielt wird. Es gilt dabei: Insassenvorverlagerungskraft
F > X kN = FR. Dabei ist X der Wert der die Kraft über
einen Steller bzw. den Zustand der Reibelemente in der Gurtaufrolleinheit
einstellt. Die Steuerung kann dabei über ein Airbagsteuergerät
oder über eine mechanische Stellvorrichtung erfolgen.
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Als
Trommelbremsenprinzip sind bevorzugt alle gängigen Prinzipien
denkbar, wie beispielsweise das Simplex-Bremsenprinzip, das Duplex-Bremsenprinzip,
die Duo-Duplex-Bremse, die Servo-Bremse, die Duo-Servo-Bremse, wobei
vorzugsweise eine Realisierung des Simplex-Bremsenprinzips oder
des Servo-Bremsprinzips anzudenken ist, da hier eine ausreichende
Selbstverstärkung bei geringen Kosten durchzuführen
ist sowie eine geringe Baugröße erwartet werden
kann.
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Die
erfindungsgemäße Gurtaufrolleinheit stellt über
die kontinuierlich einstellbare Gurtkraftbegrenzung bzw. die einstellbaren/schaltbaren
Gurtkräfte in vorteilhafter Weise ein ideales Feld für
die Individualisierung des Insassenschutzes zur Verfügung.
Insgesamt können eine entsprechende Ansteuerung der erfindungsgemäßen
Gurtaufrolleinheit und deren Kraftbegrenzung in vorteilhafter Weise
in Abhängigkeit von der Kollisionssituation und damit von
der prognostizierten Crashschwere erfolgen.
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Durch
die mögliche Individualisierung der erfindungsgemäßen
Gurtaufrolleinheit in Bezug auf Alter, Größe,
Gewicht, Geschlecht können die Gurtkraftniveaus in vorteilhafter
Weise individuell an die Insassen angepasst werden. So kann das
Gurtkraftniveau bei leichtgewichtigen Insassen beispielsweise abgesenkt
werden, um im Crashfall ein ausreichendes Gurtkraftniveau zur Aktivierung
der Gurtkraftbegrenzung und dem damit verbundenen verlängerten Auszug
des Gurtbandes zu bewirken. Dadurch können Kraftspitzen
im Brust- und Kopfbereich und damit das Verletzungsrisiko auch für
leichtgewichtige Insassen reduziert werden. Im Gegenzug kann die
erfindungsgemäße Gurtaufrollein heit durch Erhöhen des
Gurtkraftniveaus auch an sehr schweren Personen angepasst werden,
um eine verfrühte Lösung der Kraftbegrenzung zu
verhindern. Dies bewirkt, dass der sehr schwere Insasse nicht zu
früh an den Airbag übergeben wird und kein Durchschlagen
des Insassen erfolgt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 4436810
A1 [0010]
- - DE 102004053305 A1 [0011]
- - WO 2007/025958 A1 [0012]
- - EP 1544062 A1 [0013]
- - KR 2007030053 [0014]