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Die Erfindung betrifft eine Kraftbegrenzungsvorrichtung für einen Gurtaufroller sowie einen Gurtaufroller mit einer Kraftbegrenzungsvorrichtung. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Umschalten einer Kraftbegrenzungsvorrichtung für einen Gurtroller.
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Gurtaufroller mit einer Kraftbegrenzungsvorrichtung, die in einem Rückhaltefall ein zu starkes Anwachsen der durch einen Sicherheitsgurt auf einen Fahrzeuginsassen wirkenden Kraft verhindert, sind in verschiedenen Ausführungen bekannt. Es ist allgemein wünschenswert, die Kennlinie der Rückhaltekraft an den Fahrzeuginsassen (Größe, Gewicht, etc.) anzupassen und/oder auf die aktuelle Situation einzustellen. Üblich ist es, zunächst in jedem Fall ein hohes Kraftniveau bereitzustellen. Falls aber eine geringere Rückhaltekraft ausreichend ist, beispielsweise bei einem leichten Fahrzeuginsassen, kann nach einer definierten Zeit ein Umschalten auf ein niedrigeres Kraftniveau vorgesehen sein, um den Fahrzeuginsassen seinem Gewicht entsprechend zu entlasten. Ein Gurtaufroller mit einer Kraftbegrenzungsvorrichtung, die eine solche Funktionalität bietet, ist beispielsweise in der
DE 10 2008 063 639 A1 gezeigt.
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Beim Umschalten auf das niedrigere Kraftniveau kann durch den abrupten Kraftabfall das elastisch vorgespannte Gurtsystem zur Schwingung angeregt werden, die im Hinblick auf eine optimale Insassenrückhaltung grundsätzlich unerwünscht ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es, bei einem Gurtaufroller mit einer Kraftbegrenzungsvorrichtung ein Umschalten von einem höheren Kraftniveau auf ein vorbestimmtes niedrigeres Kraftniveau so zu ermöglichen, dass das vorbestimmte niedrigere Kraftniveau möglichst schnell erreicht und beibehalten wird.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Kraftbegrenzungsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch einen Gurtaufroller mit den Merkmalen des Anspruchs 12 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 13. Vorteilhafte und zweckmäßige Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Kraftbegrenzungsvorrichtung, des erfindungsgemäßen Gurtaufrollers sowie des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den zugehörigen Unteransprüchen angegeben.
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Die erfindungsgemäße Kraftbegrenzungsvorrichtung für einen Gurtaufroller ist während einer Kraftbegrenzungsphase mittels einer Umschalteinrichtung von einem höheren Rückhaltekraftniveau auf ein niedrigeres Rückhaltekraftniveau umschaltbar, wobei das zweite Rückhaltekraftniveau größtenteils durch eine Arbeitsleistung wenigstens eines Kraftbegrenzungselements bestimmt ist. Die Umschalteinrichtung ist gemäß der Erfindung so eingerichtet, dass sie beim Umschalten einen signifikanten Arbeitsanteil leistet, der sich zur Arbeitsleistung des Kraftbegrenzungselements addiert und so die Rückhaltekraft der Kraftbegrenzungsvorrichtung temporär erhöht.
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Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass die beim Umschalten auf das niedrigere Kraftniveau auftretende Schwingung durch geeignete Maßnahmen gedämpft werden kann. Insbesondere ein erstes Unterschwingen der Kennlinie unter das vorbestimmte niedrigere Kraftniveau (”Schaltsprung”) wird durch die zusätzliche Arbeitsleistung der Umschalteinrichtung vollständig oder zumindest soweit kompensiert, dass die Amplitude einer etwaigen nachfolgenden Schwingung erheblich reduziert ist. Dementsprechend ist unter einem ”signifikanten” Arbeitsanteil der Umschalteinrichtung ein Arbeitsanteil zu verstehen, der über reine Bewegungs- und Reibungsanteile der beteiligten Komponenten beim Umschalten hinausgeht. Die Umschaltvorrichtung erfüllt somit neben ihrer eigentlichen Aufgabe – dem Umschalten auf das niedrigere Kraftniveau – zusätzlich die Aufgabe einer Dämpfungseinrichtung. Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Dämpfungsfunktion ist, dass sie konzeptbedingt genau zum Zeitpunkt des Umschaltens bereitgestellt wird.
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Eine mechanisch vergleichsweise einfache Umsetzung des Erfindungsgedankens ergibt sich, wenn der zusätzliche Arbeitsanteil durch eine Verformung geleistet wird. Dementsprechend ist bei den bevorzugten Ausführungsformen vorgesehen, dass die Umschalteinrichtung ein Deformationselement aufweist, das beim Umschalten vorzugsweise plastisch verformt wird. Damit sich die geleistete Verformungsarbeit zur Arbeitsleistung des das niedrige Kraftniveau maßgeblich bestimmenden Kraftbegrenzungselements addiert, muss sich das Deformationselement während der Verformung selbst im Kraftfluss der Kraftbegrenzungsvorrichtung befinden, oder von einem im Kraftfluss angeordneten Bauteil verformt werden.
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Die Größe des von der Umschalteinrichtung zu leistenden Arbeitsanteils lässt sich durch Wahl des Materials, Dimensionierung bzw. Formgebung des Deformationselements und/oder seiner unmittelbaren Einbauumgebung gezielt einstellen.
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Damit die Verformung zum gewünschten Zeitpunkt eintreten kann, ist vorzugsweise ein Sicherungselement vorgesehen, das von einer Sicherungsposition, in der es die Verformung des Deformationselements verhindert, in eine Freigabeposition überführbar ist, in der es die Verformung des Deformationselements erlaubt.
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Das Sicherungselement kann insbesondere durch ein antreibbares Stellglied von der Sicherungsposition in die Freigabeposition überführt werden. So wird bei entsprechender Auslegung der Umschaltvorgang durch die Aktivierung des Stellgliedantriebs ausgelöst.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Deformationselement so ausgelegt, dass es durch seine Verformung ein Übertragungselement freigibt. In diesem Fall fungiert das Deformationselement selbst als Schalter, der aufgrund der zu leistenden Verformungsarbeit als ”gedämpfter” Schalter bezeichnet werden kann.
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Vorzugsweise ist das Übertragungselement vor seiner Freigabe mittels wenigstens eines Blockierelements an einem fahrzeugfesten Bauteil gehalten, wobei das Blockierelement in eine Entriegelungsstellung überführbar ist, in der das Übertragungselement freigegeben ist.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Kraftbegrenzungsvorrichtung sind das Blockierelement und das Übertragungselement so angeordnet und aufeinander abgestimmt, dass eine definierte Bewegung des Übertragungselements das Blockierelement in die Entriegelungsstellung zwingt. Dementsprechend sind keine weiteren Bauteile oder Maßnahmen notwendig, um das Übertragungselement freizugeben. Liegt während der Kraftbegrenzung beispielsweise ein Drehmoment am Übertragungselement an, das nach einer Entsicherung eine Drehung des Übertragungselements verursacht, bewirkt alleine die Drehbewegung des Übertragungselements die Überführung des Blockierelements in die Entriegelungsstellung.
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Um eine solche Zwangsbewegung hervorzurufen kann insbesondere vorgesehen sein, dass das Blockierelement und/oder das Deformationselement einen rampenartigen Abschnitt aufweisen.
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Es ist möglich, das Blockierelement und das Deformationselement wenigstens teilweise durch dasselbe Bauteil zu bilden. Dadurch werden Teileanzahl und Fertigungsschritte vorteilhaft reduziert.
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Das Deformationselement kann in ein Bauteil der Kraftbegrenzungsvorrichtung, insbesondere in ein fahrzeugfestes Bauteil, integriert sein, es kann aber auch als separates Bauteil ausgeführt sein.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Umschalteinrichtung so eingerichtet ist, dass sie auch nach dem Umschalten über einen signifikanten Zeitraum hinweg den Verlauf des zweiten Kraftniveaus mitbestimmt. Auf diese Weise lässt sich gezielt Einfluss auf die Kennlinie der Kraftbegrenzungsvorrichtung nehmen.
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Gegenstand der Erfindung ist auch ein Gurtaufroller für ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Kraftbegrenzungsvorrichtung.
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Die Aufgabe der Erfindung wird auch durch ein Verfahren zum Umschalten einer Kraftbegrenzungsvorrichtung von einem höheren Rückhaltekraftniveau auf ein niedrigeres Rückhaltekraftniveau gelöst. Das Verfahren umfasst folgende Schritte:
- – Auslösen eines Umschaltvorgangs zum Absenken der Rückhaltekraft vom höheren Rückhaltekraftniveau auf das niedrigere Rückhaltekraftniveau;
- – anschließend Bereitstellen einer Arbeitsleistung wenigstens eines Kraftbegrenzungselements der Kraftbegrenzungsvorrichtung, durch die das niedrigere Rückhaltekraftniveau größtenteils bestimmt wird; und
- – während des Umschaltvorgangs Leisten eines signifikanten zusätzlichen Arbeitsanteils, der sich zur Arbeitsleistung des Kraftbegrenzungselements addiert und so die Rückhaltekraft der Kraftbegrenzungsvorrichtung temporär erhöht.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den beigefügten Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:
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1 ein vereinfachtes Kraft-Zeit-Diagramm einer Kraftbegrenzungsvorrichtung;
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2 ein tatsächliches Kraft-Zeit-Diagramm einer Kraftbegrenzungsvorrichtung nach dem Stand der Technik;
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3 einen Teil einer erfindungsgemäßen Kraftbegrenzungsvorrichtung nach einem ersten Ausführungsbeispiel in perspektivischer Ansicht vor einem Umschalten;
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4 eine seitliche Schnittansicht der Kraftbegrenzungsvorrichtung im Zustand gemäß 3;
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5 eine Draufsicht auf die Kraftbegrenzungsvorrichtung im Zustand gemäß 3;
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6 die Kraftbegrenzungsvorrichtung aus 3 nach dem Umschalten;
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7 eine seitliche Schnittansicht der Kraftbegrenzungsvorrichtung im Zustand gemäß 6;
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8 eine Draufsicht auf die Kraftbegrenzungsvorrichtung im Zustand gemäß 6 ohne Sicherungshebel;
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9 eine weitere perspektivische Ansicht der Kraftbegrenzungsvorrichtung im Zustand gemäß 6;
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10 eine schematische Draufsicht auf wesentliche Bauteile einer erfindungsgemäßen Kraftbegrenzungsvorrichtung nach einem zweiten Ausführungsbeispiel vor einem Umschalten;
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11 die Kraftbegrenzungsvorrichtung aus 10 nach dem Umschalten;
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12 eine schematische Draufsicht auf wesentliche Bauteile einer erfindungsgemäßen Kraftbegrenzungsvorrichtung nach einem dritten Ausführungsbeispiel vor einem Umschalten;
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13 eine seitliche Schnittansicht der Kraftbegrenzungsvorrichtung im Zustand gemäß 12;
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14 die Kraftbegrenzungsvorrichtung aus 12 nach dem Umschalten;
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15 eine seitliche Schnittansicht der Kraftbegrenzungsvorrichtung im Zustand gemäß 14;
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16 ein Kraft-Zeit-Diagramm eines Deformationselements einer erfindungsgemäßen Kraftbegrenzungsvorrichtung; und
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17 ein Kraft-Zeit-Diagramm einer erfindungsgemäßen Kraftbegrenzungsvorrichtung mit dem Deformationselement.
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In 1 ist ein vereinfachter bzw. idealisierter zeitlicher Verlauf einer auf einen leichten Fahrzeuginsassen wirkenden Rückhaltekraft in einem Sicherheitsgurtsystem eines Kraftfahrzeugs für den Fall dargestellt, dass eine Kraftbegrenzung stattfindet. Nach einer definierten Zeitspanne wird von einem vorbestimmten höheren Kraftniveau F1 auf ein vorbestimmtes niedrigeres Kraftniveau F2 umgeschaltet, das für den leichten Fahrzeuginsassen ausreichend ist.
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Das höhere Kraftniveau F1 kann beispielsweise durch die Arbeitsleistung eines Torsionsstabs, das niedrigere Kraftniveau F2 beispielsweise durch die Arbeitsleistung einer sog. Wellscheibe bestimmt sein, wie in der eingangs genannten
DE 10 2008 063 639 A1 beschrieben. Art, Anzahl und Aufbau der Kraftbegrenzungseinrichtungen mit den zugehörigen Kraftbegrenzungselementen sind aber für die Erfindung nicht von entscheidender Bedeutung. Wesentlich ist, dass die Möglichkeit eines Umschaltens von einem höheren auf ein niedrigeres Kraftniveau vorgesehen ist.
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2 zeigt einen realen Verlauf der Kennlinie aus 1. Die Abweichungen vom idealisierten Verlauf lassen sich wie folgt erklären. Das Sicherheitsgurtsystem ist zunächst durch die Kraft F1 vorbelastet. Hierbei sind bestimmte Bauteile des Sicherheitsgurtsystems, wie etwa das Gurtband, elastisch vorgespannt. Beim Umschalten bewirkt der abrupte Abfall der Rückhaltekraft, dass das elastisch vorgespannte Sicherheitsgurtsystem zur Schwingung angeregt wird. Wie in 2 zu sehen ist, fällt das Kraftniveau zunächst deutlich unter das gewünschte niedrigere Kraftniveau F2. Das Schwingen, insbesondere das unerwünschte ”Unterschwingen” unter das niedrigere Kraftniveau F2, setzt sich über einen gewissen Zeitraum – wenn auch mit abnehmender Amplitude – fort.
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In den
3 bis
9 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer Kraftbegrenzungsvorrichtung für einen Gurtaufroller gezeigt, mit der die zuvor beschriebene Schwingung gedämpft wird. Die grundsätzliche Funktionsweise der Kraftbegrenzungseinrichtungen mit den zugehörigen Kraftbegrenzungselementen (z. B. Torsionsstab und Wellscheibe) ist aus der
DE 10 2008 063 639 A1 bekannt, sodass hier nicht näher darauf eingegangen werden muss.
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Die 3 bis 5 zeigen die Kraftbegrenzungsvorrichtung in einem Zustand, in dem ein höheres Niveau der Rückhaltekraft bereitgestellt wird. Zum Umschalten auf ein niedrigeres Kraftniveau ist es erforderlich, ein im Kraftfluss der Kraftbegrenzungsvorrichtung befindliches Übertragungselement 10, hier in Form eines Sperrrads, freizugeben. Genauer gesagt muss das Übertragungselement 10, an dem ein hohes Drehmoment anliegt, das zunächst aber drehfest an einem Rahmen 12 gehalten (blockiert) ist, entriegelt werden, sodass es um seine Mittelachse verdreht werden kann.
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Wie insbesondere in 5 zu erkennen ist, weist das Übertragungselement 10 außenseitig eine Ausnehmung 14 auf, in die vor dem Umschalten ein Blockierelement 16, hier in Form eines Biegehebels, eingreift. Das Blockierelement 16 ist in ein rahmenfestes Bauteil 18 der Kraftbegrenzungsvorrichtung integriert, welches wiederum im eingebauten Zustand der Kraftbegrenzungsvorrichtung fahrzeugfest angebracht ist. Gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Blockierelement 16 einstückig mit einer sog. Wellscheibe ausgebildet, die fest mit dem Rahmen 12 verbunden ist.
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Das Blockierelement 16 ist durch ein Sicherungselement 20 gesichert, hier in Form eines schwenkbaren Sicherungshebels, von dem in 5 nur ein Ansatz 22 gezeigt ist. Der Ansatz 22 des Sicherungselements 20 ist zwischen dem Blockierelement 16 und einem Stützabschnitt 24 des rahmenfesten Bauteils 18 (Wellscheibe), eingeklemmt und lässt eine Bewegung des Blockierelements 16 aus der Ausnehmung 14 heraus nicht zu. Das Übertragungselement 10 ist somit an einer Drehung gehindert.
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Zum Umschalten auf das niedrigere Kraftniveau wird das Sicherungselement 20 in eine Freigabeposition bewegt. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel wird der Sicherungshebel so verschwenkt, dass dessen Ansatz 22 das Blockierelement 16 nicht mehr behindert, wie in den 6 und 7 gezeigt. Hierzu kann ein Stellglied 26 mit einem motorischen, pyrotechnischen oder einem anderen geeigneten Antrieb 28 verwendet werden, dessen Aktivierung den Umschaltvorgang auslöst.
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Nun kann das Blockierelement 16 in eine Entriegelungsstellung überführt werden, in der die Blockierung des Übertragungselements 10 aufgehoben ist. Aufgrund der rampenartigen Form der Ausnehmung 14 des Übertragungselements 10 und des Blockierelements 16 (freies Ende des Biegehebels) wird das Blockierelement 16 nämlich durch eine Drehung des Übertragungselements 10 so weit nach außen gedrückt, dass das Blockierelement 16 nicht mehr am Übertragungselement 10 angreift. Dabei wird das Blockierelement 16 plastisch verformt, weshalb es hier auch als Deformationselement 16 bezeichnet werden kann. Aufgrund der plastischen Verformung verbleibt das Blockierelement 16 in der Entriegelungsstellung. Dieser Zustand ist in den 8 und 9 zu sehen.
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Für die Überführung des Blockierelements 16 in die Entriegelungsstellung ist die Umsetzung einer nicht unerheblichen Energiemenge erforderlich. Um das Blockierelement 16 wegzubiegen, muss ein gewisses Maß an Verformungsarbeit geleistet werden, das von verschiedenen Faktoren abhängt, insbesondere von Material, Biegequerschnitt und Biegelänge des Blockierelements 16.
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In den 10 und 11 ist ein anderes Ausführungsbeispiel einer umschaltbaren Kraftbegrenzungsvorrichtung gezeigt. Auch hier blockiert ein Blockierelement 16' in Form eines Schwenkhebels die Drehung eines Übertragungselements 10' relativ zu dem das Blockierelement 16' tragenden Bauteil 18', welche für ein Umschalten auf ein niedrigeres Kraftniveau erforderlich ist. Gesichert wird das Blockierelement 16' zunächst durch ein Sicherungselement 20' in Form eines starren, stabilen Stützrings, wobei zwischen dem Blockierelement 16' und dem Sicherungselement 20' noch ein verformbarer Zwischenring 30 oder Zwischenringabschnitt angeordnet ist.
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Im Zustand gemäß 10, der einer Kraftbegrenzung auf einem höheren Kraftniveau entspricht, wird ein Verschwenken des Blockierelements 16' um seine Schwenkachse nach außen durch das Sicherungselement 20' verhindert. Zum Umschalten auf das niedrigere Kraftniveau wird das Sicherungselement 20' in eine Freigabeposition bewegt, beispielsweise durch eine axiale Verschiebung. Hierfür kann wiederum ein Stellglied mit einem geeigneten Antrieb verwendet werden.
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Der Zwischenring(-abschnitt) 30 dient hier als Deformationselement und ist so ausgelegt, dass das vom Übertragungselement 10' nach außen gedrückte Blockierelement 16' das Deformationselement 30 verformt, wenn die Sicherung durch das Sicherungselement 20' aufgehoben ist, wie in 11 gezeigt. Die zu leistende Verformungsarbeit hängt hier vom Material und der Dimensionierung des Zwischenring(abschnitt)s 30 ab.
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Ein weiteres ähnliches Ausführungsbeispiel einer umschaltbaren Kraftbegrenzungsvorrichtung ist in den 12 bis 15 dargestellt. Hier sind zwei Blockierelemente 16'' vorgesehen, die eine Drehung eines Übertragungselements 10'' blockieren, an dem ein Drehmoment anliegt. Gesichert sind die Blockierelemente 16'' wiederum durch ein Sicherungselement 20'' in Form eines Stützrings, der eine radiale Bewegung der Blockierelemente 16'' verhindert. Zwischen den Blockierelementen 16'' und dem Sicherungselement 20'' ist ein als Deformationselement 30' dienender Zwischenring angeordnet (siehe 12 und 13).
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Wird zum Umschalten der Kraftbegrenzungsvorrichtung auf ein niedrigeres Kraftniveau das Sicherungselement 20'' verschoben (siehe 15), kann das Übertragungselement 10'' die Blockierelemente 16'' nach außen wegdrücken. Dabei wird Verformungsarbeit am Deformationselement 30' geleistet. Im Falle diametral entgegengesetzt angeordneter Blockierelemente 16'' verformt sich das Sicherungselement 20'' zu einer Ellipse, wie in 14 zu sehen ist.
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In 16 ist – beispielhaft für alle Ausführungsformen – isoliert nur der Arbeitsanteil dargestellt, der beim Umschalten auf das niedrigere Kraftniveau erforderlich ist, um das Deformationselement 16; 30; 30' zu verformen. In 17, die die Kennlinie einer erfindungsgemäßen Kraftbegrenzungsvorrichtung zeigt, ist zu erkennen, dass die Verformungsarbeit genau zu der Zeit verrichtet wird, zu der die Rückhaltekraft unterschwingen würde. Die Verformungsarbeit kompensiert bzw. dämpft somit dieses Unterschwingen, sodass das vorbestimmte niedrigere Kraftniveau schnell erreicht und danach beibehalten wird.
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Grundsätzlich können bei allen Ausführungsbeispielen mehrere Blockierelemente 16; 16'; 16'', aber auch mehrere Deformationselemente 16; 30; 30', vorgesehen sein. Die Kraftbegrenzungsvorrichtung kann auch so ausgelegt sein, dass über einen längeren Zeitraum, also über den Umschaltvorgang hinaus, Verformungsarbeit geleistet wird, insbesondere um eine sanfter abfallende Kennlinie zu erhalten. Dies kann beispielsweise durch Vorsehen mehrerer Deformationselemente 16; 30; 30' erreicht werden, die zeitlich gestaffelt deformiert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008063639 A1 [0002, 0040, 0042]