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Die Erfindung betrifft einen Drehdämpfer zur Dämpfung einer
Drehbewegung, insbesondere zur Dämpfung
der Drehbewegung einer Gurtwelle in einem Sicherheitsgurt-Aufroller
für Kraftfahrzeuge.
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Die Dämpfung von Drehbewegungen in
Sicherheitsgurt-Aufrollern in Kraftfahrzeugen ist seit langem ein
Problem. Zahlreiche der bekannten Dämpfer besitzen die Eigenschaft,
dass sie lediglich Drehbewegungen um einen Gesamt-Drehwinkel von kleiner
als 360° dämpfen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,
einen möglichst
einfachen Drehdämpfer
zu schaffen, der eine Drehbewegung um einen beliebigen Drehwinkel
möglichst
gleichmäßig dämpft.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale
des Anspruchs 1 gelöst.
Der Kern der Erfindung liegt darin, in einem Gehäuse mindestens ein als Schraubenwand
ausgebildetes Konvektions-Element vorzusehen, welches mit einer
drehbar gelagerten Welle drehfest verbunden ist. Unter einer Schraubenwand wird
ein nach Art eines Gewindes wendelförmig um einen in der Regel
zylindrischen Tragkörper
umlaufendes Profil verstanden, welches zum Beispiel als Rampe oder
Sims ausgeführt
sein kann. Im die Längsachse
der tragenden Welle enthaltenden Schnitt kann das Profil durch gerade
Flächen über Kantenbereiche
begrenzt sein oder derart gewölbt sein,
dass die das Profil begrenzenden Wände kantenfrei ineinander übergehen.
Durch das Konvektions-Element wird das zu dämpfende Drehmoment in eine
Bewegung des Dämpfungs-Mediums
mit axialer Komponente umgewandelt. Von besonderer Bedeutung für die Dämpfung können hierbei
auftretende Scherungen des Dämpfungs-Mediums
sein. Die Schraubenwand kann einfach umlaufend, aber auch, je nach
dem einzustellenden Fließverhalten
des Dämpfungs-Mediums,
mehrfach umlaufend ausgeführt
sein, also eine oder mehrere Windungen aufweisen. Abhängig vom
einzustellenden Fließverhalten
kann eine eingängige
oder eine mehrgängige Schraubenwand
eingesetzt sein. Bevorzugt wird eine Schraubenwand, welche durch
geschlossene und gerade Schraubenregelflächen begrenzt ist. Alternativ
sind aber je nach den einzustellenden Fließeigenschaften des Dämpfungs-Mediums auch Schraubenwände einsetzbar,
die durch offene und/oder schiefe Schraubenregelflächen begrenzt
sind.
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Eine mögliche Aufteilung des Arbeitsraums in
Teil-Arbeitsräume
führt zu
weiteren Einstellmöglichkeiten
für das
Fließverhalten
des Dämpfungs-Mediums.
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Eine derartige Einstellung ist zum
Beispiel auch möglich
durch die Querschnittgestaltung des gegebenenfalls vorgesehenen
mindestens einen Verbindungskanals zwischen den Teil-Arbeitsräumen, durch
die Gestaltung des Querschnittsprofils der Schraubenwand oder durch
die Gestaltung der Schraubenwand-Einhüllenden. Schließlich kann
das Dämpfungs-Medium
auch unter eine Vorspannung gesetzt werden, sodass es im Arbeitsraum
mit einem Druck vorliegt, der größer ist
als der Umgebungsdruck. Gerade bei hochviskosen Flüssigkeiten,
wie zum Beispiel Silikonen, führt
eine derartige Vorspannung zu einer ausnutzbaren Änderung
der Fließeigenschaften.
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Wenn die Wandstärke einer einzelnen Windung
der Schraubenwand vergleichbar ist zum Abstand zwischen zwei benachbarten
Windungen, setzt die Schraubenwand eine Drehung der Welle im Gehäuse einen
entsprechend hohen Widerstand entgegen, was gerade bei der Verwendung
des Drehdämpfers
im Zusammenspiel mit einer Gurtwelle ausgenutzt werden kann.
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Auch eine innere Gehäusewand,
welche einer äußeren Stirnwand
der Schraubenwand unter geringem Spiel nahe benachbart ist, führt zu einem relativ
großen
Widerstand, den die Schraubenwand einer Drehbewegung im Gehäuse entgegensetzt.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung
werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen:
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1 einen
Querschnitt durch einen Drehdämpfer
gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel,
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2 eine
Schnittdarstellung gemäß der Schnittlinie
II-II in 1,
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3 einen
Querschnitt durch einen Drehdämpfer
gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel,
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4 eine
Schnittdarstellung gemäß der Schnittlinie
IV-IV in 3,
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5 einen
Querschnitt durch einen Drehdämpfer
gemäß einem
dritten Ausführungsbeispiel,
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6 eine
Schnittdarstellung gemäß der Schnittlinie
VI-VI in 5,
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7 einen
Querschnitt durch einen Drehdämpfer
gemäß einem
vierten Ausführungsbeispiel,
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8 eine
Schnittdarstellung gemäß der Schnittlinie
VIII-VIII in 7.
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Im Folgenden wird unter Bezugnahme
auf die 1 und 2 ein erstes Ausführungsbeispiel
eines Drehdämpfers 1 beschrieben.
Der Drehdämpfer 1 dient
insbesondere zur Dämpfung
der Drehbewegung einer Gurtwelle in einem Sicherheitsgurt-Aufroller
eines Kraftfahrzeugs. Der Drehdämpfer 1 weist ein
Gehäuse 2 auf,
welches aus einer Bodenplatte 3 und einer damit verbundenen,
von dieser abstehenden, ringzylindrischen Gehäusewand 4 besteht.
Diese weist an ihrem oberen Ende einen nach innen vorspringenden,
ringförmigen
Haltesteg 5 auf, der einen ringförmigen, im Gehäuse 2 angeordneten
Deckel 6 nach außen
hin festlegt. In dem Deckel 6 und der Bodenplatte 3 sind
mittig Bohrungen 7 vorgesehen, in denen eine Welle 8 um
eine Drehachse 9 drehbar gelagert ist. Zu diesem Zweck
ist in dem Deckel 6 eine Lager-/Dichtungs-Einheit 10 vorgesehen,
die gegenüber
der Welle 8 drehbar gelagert ist und die einen Innenraum 12 des
Gehäuses 2 nach
außen
abdichtet. Eine Dichtung 10a dichtet die äußere Umfangswand des
Deckels 6 gegen die innere Gehäusewand 4 ab. Die
Welle 8 ist gegenüber
der Bodenplatte 3 durch eine Dichtung 11a abgedichtet
und durch ein Lager 11b gelagert. Die Welle 8 ist
mit einem ringförmigen Deckel 11c fest
verbunden. Die Bodenplatte 3 weist im Randbereich Bohrungen 13 auf,
durch die der Drehdämpfer 1 festlegbar,
insbesondere in einem Kraftfahrzeug befestigbar ist.
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Auf der Welle 8 ist im Innenraum 12 ein
die Welle 8 verlängernder
zylindrischer Tragkörper 14 befestigt.
An die äußere Mantelfläche des
Tragkörpers 14 drehfest
angeformt ist eine als Konvektions-Element dienende eingängige Schraubenwand 15 mit
zweieinhalb Windungen 16. Die Schraubenwand 15 weist
eine relativ geringe Steigung auf, sodass die Wandstärke einer
einzelnen Windung 16 der Schraubenwand 15 vergleichbar
ist zum Abstand zwischen zwei benachbarten Windungen 16.
Die Schraubenwand 15 ist gerade und geschlossen. Die in 1 nach oben, also in Richtung
auf den Deckel 6 zu weisende obere Schraubenwandfläche 17 erstreckt
sich im Verlauf der Schraubenwand 15 parallel zur zugehörigen unteren
Schraubenwandfläche 18.
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Eine Projektion der Schraubenwand 15 auf eine
senkrecht zur Längsachse
der Welle 8 sich erstreckende Ebene hat einen Außendurchmesser,
der nur geringfügig
kleiner ist als der Innendurchmesser der Gehäusewand 4, sodass
eine äußere Stirnwand 19 der
Schraubenwand 15 der Gehäusewand 4 unter geringem
Spiel nahe benachbart ist. Ein gedachter Hohlzylinder mit einem
Außendurchmesser,
der dem Außendurchmesser
der genannten Projektion entspricht, wird nachfolgend auch als Einhüllende der Schraubenwand 15 bezeichnet.
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Die Gehäusewand 4 begrenzt
mit der Bodenplatte 3 und dem Deckel 6 einen Arbeitsraum 20.
Dieser ist mit einer als Dämpfungs-Medium
ausgebildeten hochviskosen Flüssigkeit 21 gefüllt, wobei
hier insbesondere ein Silikon verwendet wird.
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Auf dem Tragkörper 14 ist ein den
Arbeitsraum 20 nach oben verschließender Ring 22 angeordnet,
der über
einen Sicherungsring 23 befestigt ist, der in einer Ringnut 24 in
der Mantelfläche
der Welle 8 festgelegt ist.
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Die Welle 8 weist im Bodenplatten-Bereich der
Bohrung 7 eine Innen-Vierkant-Ausnehmung 25 auf,
die mit der Gurtwelle des Sicherheitsgurt-Aufrollers bei einem Unfall in drehmomentübertragender Weise
verbindbar ist.
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Im Folgenden wird die Funktionsweise
des Drehdämpfers 1 gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel
beschrieben. Beispielsweise bei einem Aufprall wird auf den Sicherheitsgurt
eines Kraftfahrzeugs ein starker Zug ausgeübt, der die Welle 8 in
eine Drehbewegung versetzt. Durch die Drehbewegung der Welle 8 in
oder entgegen einer in 2 dargestellten
Drehrichtung 26 wird der Tragkörper 14 mit der Schraubenwand 15 in
eine Drehbewegung versetzt. Hierbei wandern, im ortsfesten System
des Gehäuses 2 betrachtet,
die bestimmten Bereichen der inneren Gehäusewand 4 zugeordneten
Abschnitte der äußeren Stirnwand 19 in
axialer Richtung an der Gehäusewand 4 vorbei.
Da der Arbeitsraum 20 in axialer Richtung nach oben und
unten abgeschlossen ist, führt diese
Relativbewegung zu einer Druckerhöhung der Flüssigkeit 21 in dem
Teil des Arbeitsraums 20, auf den zu die Relativbewegung
erfolgt. Die in diesem Teil des Arbeitsraums 20 verdichtete
Flüssigkeit 21 wird
durch die Zwischenräume
zwischen der äußeren Stirnwand 19 der
Schraubenwand 15 und der inneren Gehäusewand 4 hindurchgepresst.
Die hierbei auftretende Scherwirkung der Flüssigkeit 21 führt zu einer
Dämpfung
der mit der Schraubenwand 15 drehfest verbundenen Welle 8.
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Durch die Dimensionierung der Schraubenwand 15 und
des Arbeitsraums 20, insbesondere durch die Steigung der
Schraubenwand 15, die Anzahl der Windungen 16,
die Querschnittsform einer einzelnen Windung 16 sowie den
Abstand der äußeren Stirnwand 19 zur
inneren Gehäusewand 4 und gegebenenfalls
noch durch das Vorsehen zusätzlicher Überstromkanäle zwischen
der äußeren Stirnwand 19 und
der inneren Gehäusewand 4 kann
das Strömungsverhalten
der Flüssigkeit 21 und
damit die Dämpfung
des Drehdämpfers 1 eingestellt
werden.
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Vorteilhaft an dem Drehdämpfer 1 ist,
dass Drehbewegungen unabhängig
von dem Gesamt-Drehwinkel gedämpft
werden können.
Darüber hinaus
ist eine außerordentlich
kompakte Ausbildung des Drehdämpfers 1 möglich. Aufgrund
der Symmetrie der Schraubenwand 15 und des Arbeitsraums 20 ist
beim Drehdämpfer 1 der
ersten Ausführungsform die
Dämpfung
für die
beiden möglichen
Drehrichtungen der Welle 8 im Gehäuse 2 gleich. Durch
eine entsprechende Auslegung der Schraubenwand 15 lässt sich
auch eine von der Drehrichtung abhängige Dämpfung realisieren. Aufgrund
der Eigenschaften der hochviskosen Flüssigkeit 21, insbesondere
eines Silikons, ist das Dämpfungsverhalten
bei eine schnellen Bewegung der Welle 8 stärker als
bei einer langsamen Umdrehung der Welle 8. Das Dämpfungsdrehmoment
des Drehdämpfers 1 ist
als Funktion des Lagewinkels der Welle 8 im Wesentlichen konstant.
Das Dämpfungsdrehmoment
als Funktion der Winkelgeschwindigkeit der Welle 8 steigt
jedoch an. Dies ist besonders bei der Verwendung des Dehdämpfers 1 an
der Gurtwelle eines Sicherheitsgurt-Aufrollers wichtig, um der Unfallschwere
entsprechen zu können.
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Die Flüssigkeit 21 kann unter
Vorspannung gesetzt werden. Hierfür wird der Deckel 6 definiert auf
die Flüssigkeit 21 gedrückt und über den
Haltesteg 5 am oberen Ende des Gehäuses 2 arretiert. Bei
einer erhöhten
Vorspannung der Flüssigkeit 21, also
einem erhöhten
Druck der Flüssigkeit 21,
ergibt sich auch eine erhöhte
Dämpfkraft
des Dämpfers 1.
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Im Folgenden wird unter Bezugnahme
auf die 3 und 4 eine zweite Ausführungsform
der Erfindung beschrieben. Entsprechende Teile erhalten dieselben
Bezugszeichen wie beim ersten Ausführungsbeispiel, auf dessen
Beschreibung hiermit verwiesen wird, und werden nicht nochmals im
Einzelnen erläutert.
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Die Schraubenwand 15 des
zweiten Ausführungsbeispiels
hat eineinhalb Windungen 16. Ansonsten entspricht sie der
Schraubenwand 15 des ersten Ausführungsbeispiels und ist, da
sie die gleiche Steigung aufweist wie diese, axial kürzer. An
der Innenseite der Gehäusewand 4 ist
eine sich ungefähr über zwei
Drittel der Höhe
des Innenraums 12 erstreckende, ringzylindrische Wand 27 befestigt,
an deren in 3 oberen
Ende ein nach innen vorspringender ringförmiger Steg 28 angeformt
ist. Über
Verbindungskanäle 29 im
Steg 28 steht ein erster Teil-Arbeitsraum 30 des
Arbeitsraums 20, in dem die Schraubenwand 15 angeordnet
ist, mit einem zweiten Teil-Arbeitsraum 31 zwischen dem
Steg 28 und dem Deckel 6 in Verbindung. Die Verbindungskanäle 29 können im
Querschnitt rechteckig oder als Bohrung ausgebildet sein. Der erste
Teil-Arbeitsraum 30 wird begrenzt nach unten durch die
Bodenplatte 3, nach außen
durch die Wand 27, nach innen durch den Tragkörper 14 und
nach oben durch den Steg 28. Der zweite Teil-Arbeitsraum 31 wird
begrenzt nach unten durch den Steg 28, nach außen durch
die Gehäusewand 4,
nach innen durch den Tragkörper 14 und
nach oben durch den Deckel 6. Der Ring 22 sowie
der in der Ringnut 24 angeordnete Sicherungsring 23 halten
bei der zweiten Ausführungsform
den Steg 28 nieder, sodass analog zu dem, was in Zusammenhang
mit dem ersten Ausführungsbeispiel ausgeführt wurde,
ein Vorspannen der Flüssigkeit 21 im
ersten Teil-Arbeitsraum 30 möglich ist.
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Die Wand 27 und der Steg 28 sind
nach oben zudem durch einen Sicherungsring 32 festgelegt,
der in einer Ringnut 33 in der inneren Gehäusewand 4 festgelegt
ist. Unterhalb der Wand 27 ist eine ringförmig in
die Bodenplatte 3 eingelegte Verdrehsicherung 34 vorgesehen,
die sicherstellt, dass die Einheit aus der Wand 27 und
dem Steg 28 ortsfest bleibt, wenn die Welle 8 mit
dem Tragkörper 14 und
der Schraubenwand 15 in Drehung versetzt wird. Wenn eine
derartige Drehung in der Drehrichtung 26 erfolgt, wird
die Flüssigkeit 21 vom
ersten Teil-Arbeitsraum 30 in den zweiten Teil-Arbeitsraum 31 durch
die Verbindungskanäle 29 gedrückt.
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Im Folgenden wird unter Bezugnahne
auf die 5 und 6 eine dritte Ausführungsform
der Erfindung beschrieben. Entsprechende Teile erhalten dieselben
Bezugszeichen wie bei den vorstehenden Ausführungsbeispielen, auf deren
Beschreibung hiermit verweisen wird. Der wesentliche Unterschied gegenüber dem
ersten Ausführungsbeispiel
besteht in der Ausgestaltung der Schraubenwand 15. Diese weist
beim dritten Ausführungsbeispiel
eine Windung 16 auf.
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Zur äußeren Stirnwand 19 hin
verjüngt
sich das Profil der Schraubenwand 15 in radialer Richtung,
das heißt,
nach außen
hin laufen die obere Schraubenwandfläche und die untere Schraubenwandfläche 18 keilförmig aufeinander
zu. Die beiden Schraubenwandflächen 17, 18 können durch
geschlossene schiefe Schraubenregelflächen erzeugt werden.
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Durch die genannte Ausgestaltung
der Schraubenwand 15 lässt
sich das Fließverhalten
der Flüssigkeit 21 bei
einer Drehung der Welle 8 mit dem Tragkörper 14 und der Schraubenwand 15 im
Gehäuse 2 einstellen.
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Im Folgenden wird unter Bezugnahme
auf die 7 und 8 eine vierte Ausführungsform
der Erfindung beschrieben. Entsprechende Teile erhalten dieselben
Bezugszeichen wie bei den vorstehenden Ausführungsbeispielen, auf deren
Beschreibung hiermit verwiesen wird.
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Die Schraubenwand 15 des
vierten Ausführungsbeispiels
weist eine sich kegelstumpfförmig
in Richtung auf den Deckel 6 zu verjüngende Einhül lende auf und hat ungefähr zweieinviertel
Windungen. Komplementär
zur Einhüllenden
der Schraubenwand 15 verringert sich die Wandstärke des
Stegs 28 ausgehend von der Wand 27 hin zum Tragkörper 14,
sodass der erste Teil-Arbeitsraum 30 gegenüber der Bodenplatte 3 eine
kegelstumpfförmige
Begrenzungswand 35 aufweist. Diese geht über einen
ersten Kantenbereich 36 in die ringzylindrische Wand 27 und über einen
zweiten Kantenbereich 37 in einen Ringabschnitt 38 des
Stegs 28 um den Tragkörper 14 über. Zwischen
dem ersten Kantenbereich 36 und dem zweiten Teil-Arbeitsraum 31 sind
erste Verbindungskanäle 39 und
zwischen dem zweiten Kantenbereich 37 und dem zweiten Teil-Arbeitsraum 31 zweite
Verbindungskanäle 40 für die Flüssigkeit 21 ausgeführt. Auch
die Verbindungskanäle 39, 40 können im
Querschnitt rechteckig oder als Bohrung ausgebildet sein.
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Bei einer Drehung der Welle 8 mit
dem Tragkörper 14 und
der Schraubenwand 15 in Drehrichtung 26 wird beim
vierten Ausführungsbeispiel
die Flüssigkeit 21 durch
die zweiten Verbindungskanäle 40 vom
ersten Teil-Arbeitsraum 30 in
den zweiten Teil-Arbeitsraum 31 gedrückt. Sie verdrängt hierbei Flüssigkeit 21 im
zweiten Teil-Arbeitsraum 31, die über die ersten Verbindungskanäle 39 zurück in den ersten
Teil-Arbeitsraum 30 gedrückt wird. Bei einer Drehung
der Schraubenwand 15 des vierten Ausführungsbeispiels entgegen der
Drehrichtung 26 erfolgt ein Fließen der Flüssigkeit 21 in umgekehrter
Richtung. Das Fließverhalten
der Flüssigkeit 21 lässt sich beim
vierten Ausführungsbeispiel
beeinflussen durch die Anzahl, die Führung, die Weite sowie die
Querschnittsform der Verbindungskanäle 39, 40,
durch die Steigungen der Einhüllenden
der Schraubenwand 15 und der Begrenzungswand 35 sowie
deren Abstand zueinander und durch das Volumenverhältnis zwischen
dem ersten Teil-Arbeitsraum 30 und dem zweiten Teil-Arbeitsraum 31.
Daneben kann das Fließverhalten noch
durch die im Zusammenhang mit den ersten Ausführungsbeispielen genannten
Parameter eingestellt werden.