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Die Erfindung betrifft einen pyrotechnischen Aktuator, insbesondere für eine Fahrzeugsicherheitsvorrichtung.
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Bei pyrotechnischen Aktuatoren, die als Linearantrieb ausgelegt sind, wird ein in einem Zylinderrohr geführter Kolben durch die Ausdehnung eines von einem Gasgenerator, beispielsweise einem pyrotechnischen Anzünder, erzeugten Gases angetrieben. Der Kolben ist also in dem Zylinderrohr verschiebbar und erreicht nach einer derartigen Verschiebung eine Endposition, wobei in manchen Fällen eine spätere Rückstellung des Kolbens gewünscht sein kann. Das zwischen dem Gasgenerator und dem Kolben eingeschlossene Gas muss dabei an die äußere Umgebung des Zylinderrohrs abgeführt werden. Hierfür sind verschiedene Entlüftungskonzepte bekannt.
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Eines dieser Konzepte, wie es beispielsweise die Druckschrift
DE 103 05 685 54 beschreibt, sieht radiale Entlüftungsbohrungen im Zylinderrohr oder auch im Kolben vor. Bei diesen Lösungen ist jedoch denkbar, dass schon vor Erreichen der Endlage des Kolbens Gas abströmen kann, was den Wirkungsgrad bzw. die Leistung des Antriebs verringert. Für die meisten Anwendungen muss zudem sichergestellt sein, dass der Kolben seine Endlage über einen bestimmten Zeitraum halten und dabei einer bestimmten Gegenkraft widerstehen kann. Um dies zu erreichen, müsste über einen längeren Zeitraum weiter Gas erzeugt werden, und/oder die Entlüftungsbohrungen müssten so klein dimensioniert sein, dass nach Erreichen der Endlage nicht zu schnell das gesamte Gas entweichen kann. Die Herstellung solch kleiner radialen Entlüftungsbohrungen, insbesondere durch Stanzen oder Bohren, ist jedoch schwierig, noch dazu wenn bei einem Serienprodukt enge Toleranzen im Hinblick auf die Zuverlässigkeit und Reproduzierbarkeit einzuhalten sind. Hinzu kommt, dass die Radialbohrungen über die gesamte Lebensdauer des Aktuators gegen den Eintritt von Verunreinigungen und Feuchtigkeit mit zusätzlichen Bauteilen (Dichtstöpsel, Verdammung o. ä.) gesichert werden müssen. Diese Bauteile müssen dann bei einem vorbestimmten Öffnungsdruck die Entlüftungsbohrungen zuverlässig freigeben. In einer Serienfertigung erhöht insbesondere die Einhaltung der richtigen Orientierung der Entlüftungsbohrung(en) den Montageaufwand in nicht unerheblichem Maße.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen pyrotechnischen Aktuator bezüglich des Haltens der Endlage und der Rückstellbarkeit seines Kolbens zu verbessern.
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Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch einen pyrotechnischen Aktuator mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte und zweckmäßige Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen pyrotechnischen Aktuators sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Der erfindungsgemäße pyrotechnische Aktuator umfasst einen Gasgenerator, der einen Treibstoff aufweist, ein Zylinderrohr mit einer Längsachse, einen im Zylinderrohr angeordneten Kolben, der aus einer Ausgangslage, über eine Zwischenlage, in eine Endlage in axialer Richtung verschiebbar ist, eine im Zylinderrohr zwischen dem Gasgenerator und dem Kolben gebildete Druckkammer, die durch Abbrand des Treibstoffs mit Druck beaufschlagbar ist, und eine Entlüftung, die wenigstens in der Zwischenlage des Kolbens eine Strömungsverbindung zwischen der Druckkammer und der äußeren Umgebung des Zylinderrohrs herstellbar ist. Gemäß der Erfindung ist die Entlüftung so gestaltet, dass die Strömungsverbindung in der Endlage des Kolbens blockiert ist. Unter einer Zwischenlage des Kolbens ist in diesem Zusammenhang eine Position des Kolbens zwischen der Ausgangslage und der Endlage zu verstehen.
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Die Erfindung basiert auf einem anderen Konzept als die aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen. Es ist zwar eine Entlüftung vorgesehen, diese ist jedoch in der Endlage des Kolbens unwirksam. Somit kann in der Endlage des Kolbens kein Gas aus der expandierten Druckkammer entweichen, und der Kolben verbleibt sicher in der ausgefahrenen Position.
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Der erfindungsgemäße Aktuator zeichnet sich vor allem durch einen sehr einfachen Aufbau aus, der ohne zusätzliche Bauteile auskommt. Im Gegensatz zu bekannten Aktuatoren mit radialen Entlüftungsbohrungen muss keine bestimmte Orientierung beim Einbau des Aktuators beachtet werden. Es sind auch keine zusätzlichen Maßnahmen zum Schutz vor eindringendem Schmutz und Feuchtigkeit während der Lebensdauer des Aktuators notwendig.
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Die erfindungsgemäße Konstruktion des pyrotechnischen Aktuators erlaubt auch eine Rückstellung des Kolbens. Hierzu ist vorgesehen, dass der Kolben nach Erreichen der Endlage gegen den Widerstand des in der Druckkammer befindlichen Gases in die Zwischenlage verschiebbar ist, in der die Entlüftung wirksam ist. In der Zwischenlage kann somit das Gas abgeführt werden, und der Widerstand gegen die Rückstellung des Kolbens ist beseitigt, zumindest stark minimiert. Die Erfindung erlaubt durch entsprechende Auslegung der Strömungsverbindung insbesondere Ausführungen, bei denen der Kolben nur um eine kurze Wegstrecke linear in das Zylinderrohr hineingedrückt, also auch nicht gedreht werden muss, um die Zwischenlage zu erreichen.
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Unmittelbar nach Erreichen der Endlage des Kolbens, ist der Widerstand für eine Rückbewegung des Kolbens in die Zwischenlage noch sehr groß, sodass eine gewünschte Stützfunktion des Aktuators, beispielsweise das Aufstellen einer Motorhaube zum Schutz eines Fußgängers, zuverlässig aufrechterhalten wird. Mit sinkender Gastemperatur in der Druckkammer verringert sich jedoch allmählich der Widerstand, und es ist leichter möglich, den Kolben manuell in die Zwischenlage zu drücken.
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Die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Entlüftung eine an der Innenwand des Zylinderrohrs gebildete Nut aufweist und/oder, dass die Entlüftung einen Zylinderrohrbereich mit erweitertem Innendurchmesser aufweist. Eine Nut ist fertigungstechnisch relativ leicht herzustellen, zumal aufgrund des erfindungsgemäßen Konzepts grundsätzlich keine engen Toleranzen eingehalten werden müssen. Für eine Grundfunktion ”Entlüftung ein/aus” ist es lediglich erforderlich, dass überhaupt Gas durch die Nut an der Kolbendichtung vorbeiströmen kann.
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In der einfachsten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Entlüftung verläuft die Nut oder der Zylinderrohrbereich mit erweitertem Innendurchmesser linear und vorzugsweise in axialer Richtung.
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Die Strömungsverbindung zwischen der Druckkammer und der äußeren Umgebung des Zylinderrohrs kann in der Endlage des Kolbens vorteilhaft automatisch blockiert werden, indem die Nut axial von einem Anschlag für den Kolben beabstandet ist, der die Endlage des Kolbens festlegt, und der Kolben in der Endlage die Druckkammer nach außen abdichtet. In diesem Fall sind keine weiteren Bauteile für die gewünschte Unterbrechung der Strömungsverbindung in der Endlage des Kolbens notwendig. Der Anschlag kann durch einen verjüngten Abschnitt des Zylinderrohrs oder ein im Zylinderrohr bzw. am Zylinderrohrende angebrachtes Stoppelement gebildet sein.
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Um einen möglichst effizienten Antrieb des Kolbens in der Startphase zu gewährleisten und um möglichst sicher zu verhindern, dass in der Endlage des Kolbens Gas an diesem vorbeiströmen kann, weist der Kolben vorzugsweise eine Dichtung auf, die in der Ausgangslage, in der Zwischenlage und in der Endlage in Kontakt mit der Innenwand des Zylinderrohrs steht. Solche Dichtungen sind auch bei bekannten Aktuatoren im Einsatz. Vorteilhaft ist, dass diese Kolbendichtung beim erfindungsgemäßen Aktuator auch zum Blockieren der Strömungsverbindung zwischen der Druckkammer und der äußeren Umgebung des Zylinderrohrs genutzt werden kann.
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Um sicherzustellen, dass in der Endlage des Kolbens das Gas die Kolbendichtung nicht über die Nut passieren kann, sollte die Nut in einem axialen Abstand vor dem Anschlag enden, der größer als der axiale Abstand zwischen dem Anschlag und der Dichtung in der Endlage des Kolbens ist. Die Größe dieses Abstands legt fest, wie weit der Kolben für seine Rückstellung in das Zylinderrohr zurückbewegt werden muss, um die Entlüftung in Gang zu setzen.
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Die Nut sollte sich mindestens über eine axiale Länge erstrecken, die größer als die axiale Abmessung der Dichtung ist. In der Praxis wird die axiale Längsausdehnung aber größer ausgelegt sein, damit der Kolben nicht versehentlich so weit hineingedrückt wird, dass die Nut nicht mehr als Überströmkanal fungieren kann. Die axiale Längsausdehnung der Nut legt nämlich den Bereich der möglichen Zwischenlagen (Positionen) fest, in denen eine Entlüftung des Aktuators möglich ist.
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Damit der Kolben im Falle einer gewünschten Rückstellung nicht zu weit in eine die Entlüftung gestattende Zwischenlage gedrückt werden muss (je größer die Wegstrecke desto größer der Widerstand des in der Druckkammer eingeschlossenen Gases), empfiehlt es sich, die Nut in der bezüglich des Gasgenerators distalen axialen Hälfte, vorzugsweise im distalen Drittel und weiter vorzugsweise im distalen Viertel des Zylinderrohrs anzuordnen.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Entlüftung des pyrotechnischen Aktuators mehrere Nuten aufweist.
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Wenigstens einige der Nuten können sich in axialer Position, Länge, Querschnitt und/oder Verlauf unterscheiden.
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Über die Anzahl und die genannten Parameter der Nuten ist eine Anpassung des erfindungsgemäßen Entlüftungskonzepts an verschiedenste Anforderungen möglich.
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Gemäß einer besonderen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen pyrotechnischen Aktuators weist die Entlüftung eine oder mehrere spiralförmig verlaufende Nuten auf. Dies kann zur Beeinflussung des Ausströmverhaltens des Gases vorteilhaft sein.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus der beigefügten Zeichnung, auf die Bezug genommen wird. In den Figuren zeigen in perspektivischer Ansicht:
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1 einen herkömmlichen pyrotechnischen Aktuator;
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2 eine Schnittansicht eines Zylinderrohrs eines erfindungsgemäßen pyrotechnischen Aktuators;
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3 eine weitere Schnittansicht des Zylinderrohrs mit einem Kolben in einer Endlage; und
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4 eine weitere Schnittansicht des Zylinderrohrs mit dem Kolben in einer Zwischenlage.
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In 1 ist beispielhaft ein pyrotechnischer Aktuator 10' nach dem Stand der Technik dargestellt. Der Aktuator 10' umfasst ein längliches Zylinderrohr 12' und einen im Zylinderrohr 12' verschiebbaren Kolben (nicht sichtbar), von dem sich eine Kolbenstange 14 mit geringerem Durchmesser als der Kolben in Längsrichtung (axialer Richtung) erstreckt. Der Kolben ist mit einer Dichtung, z. B. einem O-Ring, versehen, die die Innenwand des Zylinderrohrs 12 berührt.
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An einem ersten Endabschnitt 16' des Zylinderrohrs 12' ist ein (hier nicht dargestellter) Gasgenerator mit einem Treibstoff angebracht. Der entgegengesetzte zweite Endabschnitt 18' des Zylinderrohrs 12' ist verjüngt, Die Stufe zwischen dem verjüngten zweiten Endabschnitt 18' und dem daran anschließenden Mittelabschnitt 20' des Zylinderrohrs 12', der einen gleichbleibenden Innendurchmesser hat, bildet einen Anschlag 22' für den Kolben.
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1 zeigt den pyrotechnischen Aktuator 10' in einem Ausgangszustand, in dem der Kolben und die Kolbenstange 14' vollständig im Zylinderrohr 12' aufgenommen sind. Im Aktivierungsfall wird im Gasgenerator der Treibstoff gezündet und brennt ab. Das dabei entstehende Gas erhöht schlagartig den Druck in einer zwischen dem Gasgenerator und dem Kolben, genauer gesagt der Dichtung des Kolbens, gebildeten Druckkammer. Die Druckbeaufschlagung sorgt dafür, dass sich der Kolben aus seiner Ausgangslage in axialer Richtung in eine vom Gasgenerator entfernte Endlage bewegt, in der die Kolbenstange 14' aus dem Zylinderrohr 12' hinausragt. Gestoppt wird die Bewegung dadurch, dass der Kolben am Anschlag 22' zum Stillstand kommt.
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Der pyrotechnische Aktuator 10' weist eine Entlüftung in Form einer radialen Entlüftungsbohrung 24' auf, die sich vollständig durch die Wand des Zylinderrohrs 12' hindurch erstreckt. Die axiale Position der Entlüftungsbohrung 24' ist so bestimmt, dass der Kolben, insbesondere dessen Dichtung, die Entlüftungsbohrung 24' vollständig passiert, bevor er seine Endlage einnimmt. So ist sichergestellt, dass das in der expandierten Druckkammer befindliche Gas durch die Entlüftungsbohrung 24' in die Umgebung entweichen kann.
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2 zeigt ein Zylinderrohr 12 eines erfindungsgemäßen pyrotechnischen Aktuators 10, der mit Ausnahme der Entlüftung genauso wie der zuvor beschriebenen Aktuator 10' aufgebaut ist. Anstelle der Entlüftungsbohrung 24' ist hier eine Nut 26 vorgesehen, die in 2 nur schematisch dargestellt ist. Die Nut 26 ist an der Innenwand 28 des Zylinderrohrs 12 gebildet und erstreckt sich beim dargestellten Ausführungsbeispiel linear in axialer Richtung des Zylinderrohrs 12 beziehungsweise des Aktuators 10. Die Nut 26 befindet sich im bezüglich des Gasgenerators distalen Viertel des Zylinderrohrs 12, reicht jedoch nicht bis zum Anschlag 22. Genauer gesagt endet die Nut 26 vor dem Anschlag 22 in einem bestimmten Abstand, der weiter unten noch genauer definiert wird. Die axiale Längsausdehnung der Nut 26 ist deutlich größer als die axiale Abmessung der Dichtung 30 des Kolbens 32.
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Der Kolben 32 des erfindungsgemäßen Aktuators 10 wird auf die gleiche Weise angetrieben wie bei dem zuvor beschriebenen Aktuator 10'. Wenn der Kolben 32 am Anschlag 22 zum Stehen kommt und seine Endlage einnimmt, dichtet der Kolben 32, genauer gesagt dessen Dichtung 30, die expandierte Druckkammer nach außen ab. Der Kolben 32 verkeilt oder verklemmt sich in der Endlage aber nicht, und er ist auch nicht in sonstiger Weise durch eine mechanische Vorrichtung an einer Rückbewegung gehindert.
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Der axiale Abstand der Nut 26 vom Anschlag 22 ist so bemessen, dass die Nut 26 in der Kolbenendlage nicht bis an die Dichtung 30 des Kolbens 32 heranreicht, wie in 3, die den Kolben 32 in der Endlage zeigt, zu sehen ist. Das vom Gasgenerator erzeugte Gas hat somit keine Möglichkeit, aus der expandierten Druckkammer zu entweichen. Der Kolben 32 hält in diesem Zustand alleine aufgrund des in der Druckkammer eingeschlossenen Gases einer anwendungsspezifisch vorgegebenen Gegenkraft stand, d. h. die Endlage des Kolbens 32 ist stabil.
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Damit die durch die Nut 26 gebildete Entlüftung ihre Wirkung entfalten kann, muss der Kolben 32 gegen den Widerstand des Gases in der Druckkammer soweit zurück in das Zylinderrohr 12 gedrückt werden, bis die Nut 26 die Dichtung 30 des Kolbens 32 überdeckt. 4 zeigt beispielhaft eine von vielen Zwischenlagen des Kolbens 32, die diese Forderung erfüllt.
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In der Zwischenlage des Kolbens 32 bildet die Nut 26 einen Überströmkanal, und das Gas kann über die Nut 26 an der Dichtung 30 und am Kolben 32 vorbei durch den verjüngten zweiten Endabschnitt 18 des Zylinderrohrs 12 in die Umgebung ausströmen. Wichtig für die Funktion des Aktuators 10 ist, dass die Dichtung 30 des Kolbens 32 in der Ausgangslage und in der Endlage des Kolbens 32 in Kontakt mit der Innenwand Zylinderrohrs 12 steht.
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Die Nut 26 stellt somit in der Zwischenlage des Kolbens 32 eine Strömungsverbindung zwischen der expandierten Druckkammer und der äußeren Umgebung des Zylinderrohrs 12 her. In der Endlage des Kolbens 32 ist diese Strömungsverbindung jedoch bewusst blockiert, um eine unerwünschte Rückstellung des Kolbens 32 zu verhindern.
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Selbstverständlich können auch mehrere Nuten 26 vorgesehen sein, die oben erläuterten Anforderungen an die axiale Lage und die axiale Ausdehnung erfüllen. Die Nuten 26 können sich innerhalb dieser Anforderungen in Länge, Querschnitt und/oder Verlauf unterscheiden. Es ist auch eine Ausführungsform mit einer oder mehreren spiralförmig verlaufenden Nuten 26 möglich.
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Durch geeignete Wahl der Anzahl, des Verlaufs, der Länge, der Querschnittsgröße und -form sowie weiterer Parameter der Nuten 26 in Abstimmung mit der axialen Kolbenlänge lässt sich das Ausströmverhalten des Gases so gezielt beeinflussen, dass eine Vielzahl von anwendungsspezifischen Anforderungen abgedeckt werden können.
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So legen die Position und die axiale Länge der Nuten 26 fest, bei welchen Kolbenhüben Gas aus der Druckkammer ausströmen kann. Die Anzahl und der Querschnitt der Nuten 26 bestimmen den Volumenstrom (Menge pro Zeiteinheit) des ausströmenden Gases. Auch durch einen besonderen Verlauf oder eine besondere Form der Nuten 26 (z. B. spiralförmiger statt gerader, axialer Verlauf; unterschiedliche Länge mehrerer Nuten 26; progressive Querschnittsänderung in axialer Richtung; etc.) kann der Volumenstrom des entweichenden Gases in gewünschter Weise eingestellt werden.
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Insbesondere können die Nuten 26 so positioniert und gestaltet werden, dass zu Beginn der Kolbenbewegung kein oder nur ein vernachlässigbarer Anteil des Gases entweicht.
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Anstelle der Nut oder Nuten 26 kann allgemein auch ein Bereich des Mittelabschnitts 20 des Zylinderrohrs 12 einen erweiterten Innendurchmesser aufweisen. Für die axiale Lage und Ausdehnung dieses Bereichs gelten die gleichen Anforderungen wie für die Nuten 26.
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Bezugszeichenliste
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- 10, 10
- pyrotechnischer Aktuator
- 12, 12'
- Zylinderrohr
- 14, 14'
- Kolbenstange
- 16, 16'
- erster Endabschnitt
- 18, 18'
- zweiter Endabschnitt
- 20, 20'
- Mittelabschnitt
- 22, 22'
- Anschlag
- 24'
- Entlüftungsbohrung
- 26
- Nut
- 28
- Innenwand
- 30
- Dichtung
- 32
- Kolben
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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