DE4234276C1 - Gaserzeuger - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Gaserzeuger, der aus einem Gehäuse besteht, das feste zu zündende Treibmittel enthält.

Gaserzeuger der erwähnten Art werden vorwiegend elektrisch gezündet, und sie kommen vor allem dort zur Anwendung, wo es um ein schlagartiges Auslösen von Bewegungsvorgängen geht, also z. B. bei Kraftfahrzeugen für Sicherheitsgurtstraffer, für Zündgasgeneratoren bei Feststofftreibsätzen zum Aufblasen von Schutzkissen (Airbags) oder sonstigen Vorrichtungen, bei denen es, wie schon angedeutet, um schnelle Reaktionen geht. Für die Treibmittel werden schnellbrennende pyrotechnische Gemische, wie Oxidationsstoffe und Reduktionsstoffe auch in Verbindung mit Schwarzpulvergemischen verwendet. Beim Abbrennen der Treibmittel entstehen sehr hohe und auch heiße Gasdrücke in den Gehäusen, so daß diese dickwandig ausgeführt werden müssen, was einmal zu schweren Bauarten führt und zum anderen wirtschaftlich ist. Außerdem sind bei den bekannten Bauarten hohe Energieverluste durch Wärmeableitung und verhältnismäßig lange Ansprechzeiten in der Größenordnung von 20 bis 30 ms unvermeidbar, was insbesondere bei Gurtstraffern oder Airbag-Systemen nicht hingenommen werden kann.

Durch die DE-PS 39 17 460 C1 ist ein Gaserzeuger bekanntgeworden, der ein Gehäuse aufweist, das eine Zündladung und eine Treibladung enthält. Bei dieser bekannten Bauart umgibt die Treibladung konzenrisch die Zündladung, wobei sowohl gegenüber dem Gehäuse als auch zwischen den Ladungen Zwischenlagen vorgesehen sind. Das Gehäuse wird beidseitig mit Verschraubungen abgeschlossen, wobei die Aufgabe dieser Bauart darin besteht, daß ein dichter Verschluß des die Ladungen enthaltenden Gehäuses, zumindest über Jahre, ggf. über Jahrzehnte hinaus sichergestellt ist. Abgesehen davon, daß der Aufbau dieses bekannten Gaserzeugers außerordentlich kompliziert und daher teuer bzw. unwirtschaftlich ist, sind schnelle Reaktionen, wie sie bei Gurtstraffern oder Airbag-Systemen erforderlich sind, nicht zu erwarten. Im Gegenteil, durch das Ineinanderschachteln der Zünd- und der Treibladung und durch die vorgesehenen Zwischenlagen tritt eher eine Verzögerung ein, so daß die Ansprechzeiten in einer Größenordnung liegen, die 20 ms übersteigen werden. Die bekante Bauart kann daher nur dort eingesetzt werden, wo es auf eine schlagartige Reaktion nicht ankommt.

Ähnliches gilt für einen Gasgenerator gemäß der DE-PS 39 42 008 C2, bei dem es wieder um die Funktonssicherheit bei Langzeitlagerung geht. Außerdem kommt hier ein Filter zum Einsatz, der die Reaktionsschnelligkeit bremst.

Mit einem Filter ist auch ein Gasgenerator ausgestattet, der sich aus der DE-PS 41 08 857 C1 ergibt. Bei dieser bekannten Ausführung geht es in der Hauptsache um den Funktionserhalt bei Temperaturen von -30°C bis etwa +100°C. Mittel zur Erhöhung der Reaktionsschnelligkeit sind nicht angegeben.

In der DE-PS 40 19 877 A1 ist ein Gasgenerator angegeben, der stufenweise auf einen Gassack eines Sicherheitssystems einwirkt. In einer ersten Stufe erfolgt zunächst ein langsames Aufblasen in einer Zeitspanne von etwa 20 ms, während man in einer zweiten Stufe mit einem steilen Druckanstieg arbeitet. Hier ist deutlich von einem anfangs langsam arbeitenden Gasgenerator die Rede, der den heutigen Sicherheitsbestimmungen in keiner Weise gerecht zu werden vermag.

Die DE-PS 34 25 836 C2 und die DE-PS 41 02 275 C1 beziehen sich zwar ebenfalls auf Gasgeneratoren, jedoch ist in ihnen nichts darüber ausgesagt, wie man die Zeitspanne zwischen Startbeginn und Maximaldruck in Bruchteilen von Sekunden erreichen könnte.

Demgegenüber wird nach der Erfindung ein Gaserzeuger angestrebt, der bei beherrsch- und steuerbaren Gasdrücken Gasentwicklungszeiten zwischen Startbeginn und Maximaldruck von 0,5 bis 4,5 ms ermöglicht, ohne daß dabei - in Abhängigkeit vom Einsatz des Gaserzeugers - Kräfte weiterführender Elemente überlastet werden, und der darüber hinaus den jeweiligen Verhältnissen anpaßbar ist.

Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß das Gehäuse einen Raum für eine Zündladung und einen abgetrennten Raum für eine Treibladung enthält, wobei das Verhältnis des Gewichtes der Zündladung zum Gewicht der Treibladung 1 : 20 bis 1 : 4 beträgt, während das Verhältnis der Gasentwicklung (Lebhaftigkeit) von der Zündladung zur Treibladung 20 : 1 bis 3 : 1 ausmacht und für die Zünd- und Treibladung ein- oder doppelbasische Nitrocellulose-Stoffe zur Anwendung kommen. Durch die Verhältnisbereiche ist es möglich, einen Gaserzeuger nicht nur an die jeweiligen Verhältnisse gezielt anzupassen, sondern auch so zu gestalten, daß keine unbeherrschbaren Drücke entstehen, die mit wirtschaftlichen Einsparungen gleichzusetzen sind. Durch die Verwendung von Nitrocellulose- Stoffen wiederum im Zusammenhang mit den Ladungen in den beiden Gehäuseräumen können die bisher untragbaren Ansprechzeiten tatsächlich auf das Maß der Aufgabenstellung abgesenkt werden. Die Steuermöglichkeit trägt auch dazu bei, daß nachfolgende mechanische Übertragungsmittel keine Überbelastung erfahren, was zu einer Funktionsverbesserung führt.

Um die angesprochene Steuermöglichkeit noch weiter zu verbessern, empfiehlt es sich, daß das die Räume für die Treib- und Zündladungen aufweisende Gehäuse seinerseits in einem zwar durchmessergerechten, in der Ausstoßrichtung aber längeren, eine Austrittsöffnung aufweisenden Außengehäuse untergebracht ist. Diese Maßnahme trägt auch dazu bei, daß das die Ladungen aufnehmende Gehäuse am Umfang gestützt ist und dementsprechend materialsparender und daher wirtschaftlicher gestaltet werden kann. Auf die Bedeutung des Außengehäuses für den Verbrennungsablauf wird noch später eingegangen.

Damit bei dynamischer Belastung des Gaserzeugers sich Zündladung und Treibladung nicht vermischen können, wird es für vorteilhaft angesehen, daß sich zwischen den Räumen für die Zünd- und Treibladungen eine Trennwand befindet, die aus beliebigem Material, wie Papier, Metall, Nitrocellulose od. dgl. besteht und eine Stärke von 0,1 bis 0,5 mm aufweist. Mit der Trennwand übrigens ist es möglich, die Entflammung der Treibladung zu steuern, und dies nicht nur durch die Wahl der Stärke, sondern auch durch die Wahl des zur Anwendung kommenden Materials. Eine Trennwand aus Nitrocellulose z. B. beschleunigt die Entflammung der Treibladung ganz wesentlich.

Eine weitere Besonderheit der Erfindung ist darin zu sehen, daß der austrittsseitige Abschluß des becherartigen, die beiden Ladungsräume aufnehmenden Gehäuses mit einer aus beliebigem Material bestehenden Sollberstscheibe erfolgt, die einen dem jeweils erforderlichen Sollbruch entsprechenden Sollberstquerschnitt aufweist und die zwischen einem Innenabsatz des Gehäuses und einem Bördelrand des Gehäuses abgedichtet eingespannt ist. Bei dieser Maßnahme steht wieder die Steuerbarkeit der Gaserzeugung im Mittelpunkt, denn diese ist nicht nur durch das Material der Sollberstscheibe veränderbar, sondern vor allem durch den gewählten Sollberstquerschnitt, dessen Bruch durch seine Gestaltung in weiten Grenzen den gewünschten Verhältnissen anpaßbar ist. Das Einspannen der Sollberstscheibe ist ferner auf einfache Weise gelöst, denn sowohl der Innenabsatz als auch das Umbördeln des Randes sind Arbeitsgänge, die ohne Schwierigkeiten und ohne großen Zeitaufwand durchführbar sind, ganz abgesehen davon, daß sich die Abdichtung einfach durch die Sollberstscheibe selbst - wenn sie aus elastischem Material besteht - oder durch eine elastische Membrane oder mit Hilfe eines Gummiringes herstellen läßt. Der Rahmen der Erfindung wird auch nicht verlassen, wenn man den Sollberstquerschnitt durch eine zylindrische Aussparung mit einem Durchmesser bis zu 10 mm und mit einer Dicke bis zu 0,5 mm gestaltet, wobei naturgemäß durch die Wahl des Werkstoffes, wie Kunststoff, Gummi, Nichteisenmetalle weitere Steuerungsmöglichkeiten gegeben sind. Mit der Sollberstscheibe läßt sich auch, wenn erwünscht und erforderlich, die Treibladung in dem einen Raum des Gehäuses verdichten, was für eine Feinsteuerung des Abbrandes von Bedeutung sein kann.

Des weiteren ist es von Vorteil, wenn der Zündladung, in Ausstoßrichtung betrachtet, ein an sich bekannter Zünder vorgeschaltet ist, der über einen Zündkanal auf die Zündladung einwirkt, was aber nicht ausschließt, daß ein Elektrozünder unmittelbar in eine der Ladungen, vorzugsweise in die Treibladung eingesetzt ist. Ob man die eine oder die andere Bauart wählt, hängt in der Hauptsache von dem Verwendungszweck des Gaserzeugers ab. Notfalls kann man bei einem Einsatz des Elektrozünders in die Treibladung auf eine Zündladung verzichten, wenn dies den an den Gaserzeuger gestellten Forderungen nicht entgegensteht.

Eine weitere beachtliche und vorteilhafte Weiterentwicklung des Erfindungsgegenstandes ist darin zu sehen, daß das das Gaserzeugergehäuse aufnehmende Außengehäuse über eine durchmesserkleinere Öffnung in ein Arbeitsrohr mündet, das einen Arbeitskolben enthält, der über weiterführende Elemente auf die jeweils zu betätigende Vorrichtung einwirkt. Diese Maßnahme muß mit dem steuerbaren Abbrand gesehen werden, da die brennende Treibladung in ein freies Volumen gelangt, wodurch der Druck-Zeit-Verlauf der Gaserzeugung festgelegt wird.

Um weitere Gaserzeuger-Steuermöglichkeiten zu haben, empfiehlt es sich, den Raum des Gehäuses zur Aufnahme der Zündladung geometrisch unterschiedlich auszuführen.

In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise veranschaulicht; es zeigt

Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Gaserzeuger im Axialschnitt;

Fig. 2 eine Sollberstscheibe für den Abschluß des Gaserzeugers nach Fig. 1 im Schnitt;

Fig. 3 eine gegenüber Fig. 2 geänderte Ausführungsform;

Fig. 4 ein vergrößert dargestelltes Außengehäuse bzw. eine Aufnahme im Schnitt für den Gaserzeuger gemäß Fig. 1;

Fig. 5 eine geometrische Form im unteren Bereich des axialgeschnittenen Gaserzeugers nach Fig. 1;

Fig. 6 eine gegenüber Fig. 5 geänderte Ausführungsform; und

Fig. 7 eine weitere geänderte Ausführungsform.

Gemäß Fig. 1 ist ein Gaserzeuger 1 in eine nur symbolisch dargestellte Aufnahme 2 eingesetzt. Für die Praxis ist ihre Form unbedeutend. Der Gaserzeuger 1 selbst besteht aus einem zylindrischen Gehäuse 3, das zwei Räume 4, 5 aufweist. In dem Raum 4 befindet sich eine Zündladung 6, während in dem Raum 5 eine Treibladung 7 untergebracht ist. Zwischen den beiden Ladungen 6, 7 ist eine Trennwand 8 vorgesehen, die ein Vermischen der beiden Ladungen 6, 7 vermeidet und die gleichzeitig durch Wahl bestimmter Werkstoffe und durch ihre Dicke Einfluß auf den Entflammungsvorgang der Ladungen 6, 7 zu nehmen vermag.

In den die Zündladung 6 aufnehmenden Raum 4 mündet ein Zündkanal 9, der eine Verbindung zu einem beliebig gestalteten Zünder 10 herstellt, der beim Ausführungsbeispiel in einer Aussparung 11 eines verdickten Teiles 12 des Gehäuses 3 untergebracht ist.

Der obere Teil des Gehäuses 3 weist einen inneren Absatz 13 auf, der mit einer umlaufenden Dichtkante 14 ausgestattet ist, um eine bessere Abdichtwirkung gegenüber einer Gummidichtung 15 zu erreichen. Die Dichtung 15 bildet ein Widerlager für eine Sollberstscheibe 16, die entsprechend der Dichtung 15 ausgespart ist. Die Sollberstscheibe 16 weist einen Sollberstquerschnitt 17 auf, auf dessen Bedeutung bereits eingehend eingegangen wurde. Zum Fixieren der Sollberstscheibe 16 ist ein Bördelrand 18 vorgesehen, der die Sollberstscheibe 16 über die Dichtung 15 gegen den Absatz 13 bzw. gegen die Dichtkante 14 preßt. Auf die Größenverhältnisse der Räume 4, 5 ist bereits eingegangen worden.

Die Sollberstscheibe 16 der Fig. 2 unterscheidet sich von der Sollberstscheibe nach Fig. 1 dadurch, daß ein anderer Sollberstquerschnitt 17 vorgesehen ist.

In Fig. 3 ist eine Sollberstscheibe 16 gewählt, die eine Gummischeibe als Sollberstquerschnitt 17 aufweist. Wenn die Sollberstscheibe 16 ohne Aussparung für eine Dichtung 15 hergestellt und die als Sollberstquerschnitt 17 gestaltete Gummischeibe radial nach außen verlängert ist, kann der Abschluß des Gehäuses 3 auch ohne Dichtung 15 erfolgen.

Die Fig. 4 läßt ein stabiles Außengehäuse 19 mit einen Hohlraum 20 erkennen, in welchem sich der Gaserzeuger 1 befindet. Der Hohlraum 20 ist zwar dem Durchmesser des Gaserzeugers 1 angepaßt, jedoch ist er wesentlich länger, was für die Entwicklung des Druckzeitverlaufes von Bedeutung ist. Der Hohlraum 20 geht über eine durchmessermäßig kleinere Öffnung 21 in ein Rohr 22 über, das einen Arbeitskolben 23 enthält. Dieser Arbeitskolben 23 betätigt weiterführende Elemente zu einem Airbagsystem oder zu einem Gurtstraffer oder zu ähnlichen Vorrichtungen, bei denen es auf schlagartige Reaktionen ankommt.

In den Fig. 5, 6 und 7 sind geometrische, vergrößert herausgezeichnete Formen des Raumes 4 für die Zündladung 6 dargestellt, die je nach Zündladung 6 und Treibladung 7 Einfluß auf die Entflammung der Treibladung 7 nehmen, wobei die Formen des Raumes 4 in den Fig. 5, 6 und 7 mit 24, 25 und 26 angegeben sind. Bei diesen Figuren ist auf die Darstellung eingelassener oder aufgesetzter Zünder 10 verzichtet worden, die über den Zündkanal 9 wirksam werden.

Zu den Funktionen des Gaserzeugers 1 ist zu sagen, daß je nach Größe des Hohlraumes 20 im Außengehäuse 19 der Maximaldruck und der Druck-Zeit-Verlauf im Verhältnis zur durchmesserkleineren Öffnung 21 beeinflußt werden.

Von Bedeutung ist ferner die Formel

In dieser Formel bedeutet L das Maß der Gasentwicklung, die auch als Lebhaftigkeit bezeichnet werden kann. Als Leistungsparameter wird L beim Abbrand von Treibmitteln in geschlossenen Voluminas mittels des gemessenen Druck-Zeit-Verlaufes bestimmt, wobei es üblich ist, sich in einem Mittelmaß von L in der Spanne von 30 bis 70% verbrannter Ladung zu bewegen.

In der Formel bedeuten
p = Druck
z = verbrannter Ladungsanteil
t = Zeit

Claims (8)

1. Gaserzeuger, der aus einem Gehäuse besteht, das feste zu zündende Treibmittel enthält, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (3) einen Raum (4) für eine Zündladung (6) und einen abgetrennten Raum (5) für eine Treibladung (7) enthält, wobei das Verhältnis des Gewichtes der Zündladung (6) zum Gewicht der Treibladung (7) 1 : 20 bis 1 : 4 beträgt, während das Verhältnis der Gasentwicklung (L) von der Zündladung (6) zur Treibladung (7) 20 : 1 bis 3 : 1 ausmacht und für die Zünd- und Treibladungen (6, 7) ein- oder doppelbasische Nitrocellulose-Stoffe zur Anwendung kommen.

2. Gaserzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das die Räume (4, 5) für die Treib- und Zündladungen (6, 7) aufweisende Gehäuse (3) seinerseits in einem zwar durchmessergerechten, in der Ausstoßrichtung aber längeren, eine Austrittsöffnung (21) aufweisenden Hohlraum (20) eines Außengehäuses (19) untergebracht ist.

3. Gaserzeuger nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen den Räumen (4, 5) für die Zünd- und Treibladung (6, 7) eine Trennwand (8) befindet, die eine Stärke von 0,1 bis 0,5 mm aufweist.

4. Gaserzeuger nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der austrittsseitige Abschluß des becherartigen, die beiden Ladungsräume (4, 5) aufnehmenden Gehäuses (3) mit einer Sollberstscheibe (16) erfolgt, die einen dem jeweils erforderlichen Sollbruch entsprechenden Sollberstquerschnitt (17) aufweist und zwischen einem Innenabsatz (13) und einem Bördelrand (18) des Gehäuses (3) abgedichtet eingespannt ist.

5. Gaserzeuger nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Zündladung (6), in Ausstoßrichtung betrachtet, ein an sich bekannter Zünder (10) vorgeschaltet ist, der über einen Zündkanal (9) auf die Zündladung (6) einwirkt.

6. Gaserzeuger nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Elektrozünder unmittelbar in eine der Ladungen, vorzugsweise in die Treibladung (7) eingesetzt ist.

7. Gaserzeuger nach Anspruch 1 und/oder einem oder mehreren der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das das Brennsatzgehäuse (3) aufnehmende Außengehäuse (19) über eine durchmesserkleinere Öffnung (21) in ein Arbeitsrohr (22) mündet, das einen Arbeitskolben (23) enthält, der über weiterführende Elemente auf die jeweils zu betätigende Vorrichtung einwirkt.

8. Gaserzeuger nach Anspruch 1 und mindestens einem der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum (4) des Gehäuses (3) zur Aufnahme der Zündladung (6) geometrisch unterschiedlich (24, 25, 26) ausgebildet ist.