УСТРОЙСТВО ОГРАНИЧЕНИЯ УСИЛИЯ ДЛЯ АВТОМОБИЛЯ
DEVICE FOR FORCE LIMITATION FOR VEHICLE

Изобретение касается устройства ограничения усилия для использования в автомобиле, оборудованного для регулирования гашения усилия, возникающего в аварийной ситуации в автомобиле между двумя движущимися относительно друг друга частями.
Устройства ограничения усилия такого типа используются, в частности, в системах безопасности транспортных средств и осуществляют в них гашение усилия вытягивания ремня безопасности, возникающего в системе безопасности транспортного средства в случае столкновения, благодаря тому, что устройство ограничения усилия делает возможным ограниченный выпуск ремня безопасности по отношению к узлу, удерживающему ремень безопасности. Устройства ограничения усилия такого типа применяются как при ротационно работающих системах безопасности транспортных средств в виде предпочтительно самоблокирующихся и комбинированных с натяжителями механизмах втягивания ремня безопасности или в виде чисто натяжных устройств, например, в виде концевых накладных натяжителей, так и при линейно работающих системах безопасности транспортных средств, при которых ремень безопасности закреплен на накладной детали, имеющей возможность линейного перемещения, например, с помощью цилиндро-поршневого механизма, либо для натяжения, либо для установки регулируемого выпуска ремня безопасности.
Однако желательно встраивать устройство ограничения усилия также и в другие места в автомобиле для того, чтобы происходящие при столкновении относительные движения между двумя частями автомобиля, как, например, штанги толкателя относительно рамы автомобиля, использовать для гашения энергии.
Устройство ограничения усилия, предусмотренное при механизме втягивания ремня безопасности как часть системы безопасности автомобиля, известно, например, из ЕР 1222097 В1. При этом устройство ограничения усилия состоит прежде всего из сплошного торсиона, один конец которого соединен с валом ремня безопасности, а другой конец в аварийной ситуации с помощью соответствующего блокировочного приспособления устанавливается жестко на корпусе. Если при аварии вследствие возникающих ускорения или соответственно торможения автомобиля происходит смещение вперед пристегнутого пассажира и тем самым соответственно воздействие на вал ремня безопасности усилия вытягивания ремня безопасности, то вал ремня безопасности при одновременном скручивании сплошного торсиона может повернуться на определенное значение, благодаря чему происходит выпуск ремня безопасности на соответствующий поворотный ход вала ремня безопасности. Благодаря этому гасится усилие, удерживающее пассажира при его движении вперед. В известном механизме втягивания ремня безопасности предусмотрено второе устройство ограничения усилия в виде соединяемой с валом ремня безопасности инерционной массы, воздействие которой накладывается на воздействие сработавшего сплошного торсиона. В зависимости от скорости, с которой пристегнутый человек совершает свое движение вперед, вместе с тем также в зависимости от габаритов пристегнутого пассажира, инерционная масса, приведенная валом ремня безопасности в поворотное движение, приводится в действие своей силой инерции, таким образом, благодаря этому приводится в действие дополнительная, энергогасящая и тем самым ограничивающая усилие составляющая.
С известным механизмом автоматического втягивания ремня безопасности и соответственно с его устройством ограничения усилия связан недостаток, заключающийся в том, что действие устройства ограничения усилия в каждом случае зависит от пассажира, в частности, от его роста, веса и также положения на сиденье автомобиля, а также от тяжести аварии, то есть от передаваемого пассажиру в аварийной ситуации толчка и возникающих вслед за этим сил ускорения. В отношении действия устройства ограничения усилия это влечет за собой различные уровни нагрузки, которые лишь с большими затратами должны быть настроены и отрегулированы для пассажира, для того чтобы избежать слишком сильного нагружения пассажира системой ремня безопасности при аварии.
В основе изобретения лежит поэтому задача - выполнить устройство ограничения усилия названного выше типа таким образом, чтобы его срабатывание и его действие происходило независимо от общих условий аварии. В частности, при применении такого устройства ограничения усилия в системе безопасности автомобиля, защищающей пассажира автомобиля, ограничение усилий должно быть эффективным впредь независимо от данных пассажира, относящихся к его конституции или положению на сиденье автомобиля.
Решение этой задачи, включая предпочтительные формы выполнения и модификации изобретения, вытекает из содержания формулы изобретения, следующей за описанием.
Основная идея изобретения заключается в том, что устройство ограничения усилия содержит кинематическое устройство поглощения энергии с такими параметрами, что при заданном профиле разности скоростей пришедших в движение в аварийной ситуации относительно друг друга частей осуществимы различные уровни ограничения усилия в зависимости от массы пришедших в движение частей и возникающего в аварийной ситуации толчка.
Таким образом изобретение отходит прежде всего от известной концепции, лежащей в основе известных устройств ограничения усилия, проводить управление устройством ограничения усилия в зависимости от установленных общих условий аварии, а в частности, в системах безопасности автомобилей - также в зависимости от исходящего от пассажира усилия вытягивания ремня безопасности. Изобретение использует прежде всего известные данные о том, что авария в отношении воздействий ускоряющих и соответственно тормозящих сил длится ограничиваемое время, в среднем примерно 70 мс. Тем самым система безопасности автомобиля согласно изобретению может быть рассчитана таким образом, чтобы она работала в течение этого промежутка времени и соответственно определяла максимальное относительное движение соответствующих частей по отношению друг к другу. Конструктивным выполнением устройства ограничения усилия могут быть установлены отдельные скорости относительного движения, например, для различных конфигураций автомобиля. Поскольку возможное относительное движение частей по отношению друг к другу определено установленной скоростью их движения и временем действия устройства безопасности автомобиля, то относительное движение происходит независимо от величины воздействующих ускорений или соответственно усилий, и устанавливается только через конструктивно определенный согласно примерам выполнения изобретения или через фактически имеющий место при аварии промежуток времени, в течение которого соответствующим образом воздействуют ускоряющие или тормозящие силы. Иначе говоря, служащее для ограничения усилий относительное движение частей автомобиля происходит в соответствии с заданной конструкцией устройства ограничения усилия, независимо от того, каким образом создалось обусловленное в каждом случае тяжестью аварии ускорение или торможение автомобиля.
Поскольку устройство ограничения усилия находит применение в системе безопасности автомобиля, защищающей пассажира автомобиля и содержащей катушку ремня безопасности, вращающуюся по отношению к жестко соединенной с автомобилем раме, при аварии наступает смещенное по времени торможение автомобиля и пассажира, обусловленное имеющейся эластичностью, например, в системе ремня безопасности и в структуре сиденья, и поэтому неизменное и не подверженное влиянию. Следствием этого смещенного по времени торможения является разность скоростей между движением автомобиля и движением пассажира, определяемая в ходе соответствующих испытаний в соответствии с особенностями автомобиля. При применении идеи изобретения происходит предварительная установка постоянной скорости вытягивания ленты ремня безопасности с катушки ремня безопасности, так что тем самым разность скоростей между автомобилем и пассажиром устанавливается постоянной, и, как следствие, не может возникнуть дополнительное ускорение из получающейся при вытягивании ленты ремня безопасности разности скоростей, и полное торможение пассажира соответствует полному торможению автомобиля. Таким образом, можно в точном соответствии рассчитать устройство ограничения усилия, так что пассажир в ходе столкновения проходит в каждом случае заданный, предоставляемый автомобилю путь предварительной установки, а именно независимо от других внешних параметров. С предварительно отрегулированной скоростью вытягивания приблизительно известна также скорость соударения пассажира, например, с надувной подушкой безопасности, так что благодаря этому, например, может быть отрегулирован режим надувания надувной подушки безопасности. Поскольку система безопасности автомобиля включает в себя также выдвижную колонку рулевого управления, то может быть также отрегулировано втягивание колонки рулевого управления в соответствии со скоростью соударения пассажира автомобиля, так что в целом происходит возможно наименьшее нагружение пассажира автомобиля.
Итак, в таком применении при столкновении происходит управление ограниченным выпуском ремня безопасности, удерживающего пристегнутого пассажира автомобиля, для регулирования гашения силы вытягивания ремня безопасности с выходной скоростью, определенной через частоту системы масс, приведенной в колебательное движение.
Кроме того, в первой форме выполнения изобретения предусмотрено, что возбуждение системы масс для достижения частоты колебаний происходит посредством происходящего в аварийной ситуации вытягивания ленты ремня безопасности, и выпуск ремня безопасности определен в зависимости от продолжительности воздействующего усилия вытягивания ремня безопасности, при этом может быть предусмотрено, что вытягивание ленты ремня безопасности может быть механически взаимодействующими узлами преобразовано в колебательное возбуждение системы масс. Таким образом, основная идея этого примера выполнения основана на том, что начинающееся в начале аварии вытягивание ленты ремня безопасности через связанное с этим вращение вала ремня безопасности в направлении вытягивания ремня безопасности приводит систему масс в колебательное движение.
Для всех возможных случаев применения устройства ограничения усилия согласно изобретению альтернативно может быть предусмотрено, что возбуждение системы масс для достижения ее частоты колебаний осуществляется посредством расцепляющегося в аварийной ситуации и действующего в течение заданного времени независимого привода, как это имеет место, например, в часовом механизме. Для этого согласно примеру выполнения изобретения может быть предусмотрено, что независимый привод выполнен в виде предварительно натянутой пружинной системы масс. В этом случае следует позаботиться о том, чтобы зубчатый венец ведомой системы масс с ведомой подвижной частью был выполнен таким образом, чтобы было обеспечено длительное сцепление соответствующих зубчатых венцов. Поскольку на частоту колебаний оказывается воздействие через конструктивное выполнение системы масс, то согласно примерам выполнения изобретения может быть предусмотрено, что установлена постоянная в течение времени действия системы масс частота колебаний системы масс. Но предусмотрено также регулировать падающую или нарастающую частоту колебаний системы масс, так что тем самым может быть заранее задано изменение меры ограничения усилия, наступающее во время аварии.
Можно также предусмотреть срабатывающее в конце временного промежутка, приводящее систему масс в состояние покоя отключение колебаний для того, чтобы установить или ограничить степень вытягивания ленты ремня безопасности.
В частном случае применения вышеуказанной, повсеместно используемой идеи изобретения для самоблокирующегося механизма втягивания ремня безопасности с удерживающим ремень безопасности и установленным в корпусе валом ремня безопасности можно предусмотреть, что система масс, реагирующая на поворот вала ремня безопасности в направлении размотки, состоит из большого количества распределенных по окружности вала ремня безопасности двуплечих балансирных масс, установленных на подшипниках с возможностью качания вокруг центрального неподвижного в корпусе места опоры, которые в обоих концевых положениях своего колебательного движения зубцом, расположенным на обоих их концах, входят в зацепление с наружным зубчатым венцом зубчатого кольца, в аварийной ситуации соединяемого с валом ремня безопасности и вращающегося вместе с ним, таким образом, что колебание соответствующей балансирной массы при вращении зубчатого кольца относительно балансирных масс создается путем соскальзывания боковой поверхности образованных на балансирных массах зубцов с боковых поверхностей наружного зубчатого венца зубчатого кольца. Для того чтобы обеспечить это соскальзывание, следует выбрать при необходимости плоский, возможно также круглый зубчатый венец по типу скользящего зубчатого венца. В соответствующей альтернативной форме выполнения может быть также предусмотрено, что в симметричном расположении размещены две, четыре или также шесть лежащих друг против друга балансирных масс, при этом изобретение не ограничивается определенным числом балансирных масс. Для того чтобы предотвратить возможно наступающий дисбаланс при вращении балансирных масс, можно предусмотрительно таким образом размещать и рассчитывать балансирные массы, чтобы их движение взаимно уравновешивалось.
Поскольку согласно примеру выполнения изобретения предусмотрено, что предусмотрена охватывающая балансирные массы по их наружному периметру кольцевая пружина с образованными на ней выступами, соответственно нагружающими участки балансирных масс, расположенные над зубцами балансирных масс, то вследствие создаваемого кольцевой пружиной предварительного натяжения определяется пусковой вал для задействования балансирных масс, благодаря чему система масс, состоящая из балансирных масс с кольцевой пружиной, приводится в колебательное движение лишь при превышении начальной нагрузки, исходящей из вращения вала ремня безопасности с зубчатым кольцом.
Согласно примеру выполнения изобретения предусмотрено, что балансирные массы по своей конструкции полностью охватывают зубчатое кольцо и перекрывают друг друга на своих наружных концах; с этим связано преимущество соответствующего переноса движения отдельных балансирных масс друг на друга, благодаря чему лучше регулируется частота колебаний.
Согласно другим примерам выполнения изобретения предусмотрено связывать систему масс дополнительно с одной или несколькими пружинами, благодаря чему образуется колебательная система, с помощью которой можно осуществлять регулировку по времени благодаря тому, что пружина или пружины ослабляют собственное колебание системы масс или балансирных масс. Так, согласно первому имеющему к этому отношение примеру выполнения изобретения предусмотрено, что балансирная масса одним своим концом соединена с дополнительной пружиной, регулирующей колебание балансирной массы. Для этого согласно примеру выполнения предусмотрено, что другим своим концом пружина закреплена неподвижно.
Синхронизация может быть улучшена благодаря тому, что воздействующая на балансирную массу пружинная система дополнена дополнительными массами, которые также оказывают гасящее действие. С таким возможным воздействием на продолжительность колебаний, а также на частоту колебаний устройство ограничения усилия согласно изобретению может быть приспособлено к различным замедляющим характеристикам различных транспортных средств. При этом пружинная система масс должна быть рассчитана таким образом, чтобы воздействующее на балансирную массу гасящее усилие в собственном резонансе всегда было больше, чем энергия, приведенная в результате движения движущейся части автомобиля, например, путем вращения вала ремня безопасности с зубчатым кольцом. Поскольку балансирные массы должны раскачиваться с высокой частотой, примерно до 2000 герц, то может потребоваться применение очень жесткой пружины.
Так, в первой форме выполнения предусмотрено, что в пружину между ее подвеской к балансирной массе и ее неподвижным креплением введена дополнительная масса. Введением дополнительной массы может регулироваться изменение частоты колебаний или продолжительности колебаний, благодаря чему система масс может быть приспособлена к замедляющим характеристикам различных транспортных средств.
В другой форме выполнения предусмотрено, что пружина другим своим концом прицеплена к установленному в подшипниках с возможностью поворота двуплечему рычагу, другое плечо которого при вращении зубчатого кольца нагружается переключающим кулачком, соединенным с зубчатым кольцом.
Альтернативно может быть предусмотрено, что пружина другим своим концом прицеплена к плечу, размещенному на балансирной массе, и в пружину между ее подвеской к балансирной массе и подвеской к плечу введена дополнительная инерционная масса.
Согласно примерам выполнения предусмотрено нагружать балансирную массу как часть системы масс, приводимой в колебательное движение, тормозным элементом, тормозящим ее колебательное движение, при этом регулировка соответствующего торможения или гашения может осуществляться в зависимости от положения пассажира на сиденье автомобиля. Пружинная система масс должна быть рассчитана таким образом, чтобы тормозная сила балансирных масс в случае собственного резонанса была всегда больше подведенной энергии. В таком случае собственная частота всегда также определяет промежуток времени возможного выпуска ленты ремня безопасности.
Согласно примерам выполнения изобретения тормозной элемент может состоять из тормозных колодок, нагружающих балансирную массу сбоку, или из демпфирующего элемента, гасящего колебание балансирной массы, или может быть предусмотрено, что колебание балансирной массы регулируется или притормаживается посредством электромеханического механизма управления.
В форме выполнения изобретения система масс, реагирующая на вращение вала ремня безопасности в направлении размотки, может быть размещена также внутри выполненного полым и имеющего полость вала ремня безопасности. В предназначенном для этого примере выполнения может быть предусмотрено, что на валу ремня безопасности в его полости размещена по меньшей мере одна, установленная в подшипниках с возможностью качания, двуплечая балансирная масса с соответственно одним расположенным на ее наружных концах зубцом, который в каждом из обоих концевых положений колебательного движения балансирной массы таким образом входит в зацепление с наружным зубчатым венцом стержневого элемента, аксиально проходящего в полость вала ремня безопасности и без возможности скручивания соединенного с профильной головкой как часть блокировочной системы со стороны механизма втягивания ремня безопасности, что колебание соответствующей балансирной массы при вращении вала ремня безопасности с балансирной массой относительно стержневого элемента создается за счет соскальзывания боковой поверхности образованных на балансирной массе зубцов с боковых поверхностей наружного зубчатого венца стержневого элемента.
В альтернативной форме выполнения изобретения в применении к самоблокирующемуся механизму втягивания ремня безопасности с удерживающим ремень безопасности, установленным в подшипниках в корпусе валом ремня безопасности может быть предусмотрено, что система масс состоит из установленной в опорах на корпусе балансирной массы с управляющим стержнем, входящим в зацепление с вращающимся в аварийной ситуации распределительным кулачком и тем самым регулирующим колебание балансирной массы, и распределительный кулачок выполнен на приводной шестерне, соединяемой в аварийной ситуации с валом ремня безопасности и вращающейся вместе с ним, таким образом, что колебание балансирной массы при вращении приводной шестерни относительно управляющего стержня создается движениями размещенного на балансирной массе управляющего стержня в распределительном кулачке.
С этим связано преимущество, заключающееся в том, что конструктивное выполнение распределительного кулачка обеспечивает возможность регулирования колебания по частоте и продолжительности. Так, согласно альтернативным примерам выполнения изобретения предусмотрено, что распределительный кулачок имеет равномерную характеристику с постоянной частотой колебаний балансирной массы или переменную характеристику с изменяющейся частотой колебаний балансирной массы. Точно также в этом примере выполнения может быть предусмотрено, что на конце распределительного кулачка выполнено удерживающее углубление для управляющего стержня для установки балансирной массы.
Далее может быть предусмотрено, что дополнительная масса через передачу соединена с балансирной массой, чтобы, в свою очередь, имелась возможность осуществления подгонки к замедляющим характеристикам различных транспортных средств.
Наряду с использованием нового принципа действия для ограничения усилий при вале ремня безопасности как части системы безопасности автомобиля идея изобретения охватывает также применения принципа действия в других местах в автомобиле. Так, согласно примеру выполнения изобретения можно предусмотреть, что движущиеся относительно друг друга части являются жестко соединенной с автомобилем частью, а линейно подвижная при столкновении колонка рулевого управления является линейно подвижной частью автомобиля. Таким образом, поскольку рулевое колесо с несущей его колонкой рулевого управления может быть установлено податливо, то можно предусмотреть, что движение вдвигания колонки рулевого управления в жестко установленную в автомобиле часть ослабляется.
Альтернативно можно предусмотреть, что движущиеся относительно друг друга части представляют собой часть, жестко соединенную с автомобилем, а подвижная при столкновении часть рамы автомобиля является линейно подвижной составной частью автомобиля. Так, при фронтальном столкновении или при столкновении с идущей сзади автомобилем часть рамы автомобиля может быть расположена с возможностью перемещения относительно другой части рамы автомобиля, при этом движение перемещения гасится с помощью принципа действия согласно изобретению.
Поскольку в настоящее время штанги толкателей уже установлены подвижно относительно автомобиля, для того чтобы воспринимать более легкие соударения, то движение вдвигания такой штанги толкателя может быть также использовано как часть подвижной при столкновении кузовной детали для осуществления ограничения усилия. В этом отношении согласно примеру выполнения изобретения предусмотрено, что движущиеся относительно друг друга части являются жестко соединенной с автомобилем частью, а подвижная при столкновении кузовная деталь является линейно подвижной составной частью автомобиля. В следующем примере выполнения изобретением снова предусматривается применение нового принципа ограничения усилия при линейно работающей системе безопасности автомобиля с линейно подвижной относительно жестко установленной в автомобиле, удерживающей ремень безопасности накладной детали, движение которой способствует ограниченному выпуску ремня безопасности.
При таких линейно подвижных частях относительно конструктивного выполнения устройства ограничения усилия согласно примеру выполнения предусмотрено, что установленная жестко в автомобиле составная часть выполнена в виде цилиндра, подвижная относительно нее составная часть содержит движущуюся в цилиндре трубу, при этом на внутренней стенке цилиндра выполнен зубчатый венец, и в трубе размещена по меньшей мере одна, установленная в трубе в подшипниках с возможностью раскачивания до соответствующего упора на стенке цилиндра балансирная масса, которая расположенными друг против друга зубцами в обоих своих концевых положениях каждый раз таким образом входит в зацепление с зубчатым венцом цилиндра, что колебание балансирной массы при продольном движении трубы относительно стенки цилиндра создается путем соскальзывания боковых поверхностей образованных на балансирных массах зубцов с боковых поверхностей внутреннего зубчатого венца цилиндра таким образом, что движение трубы отрегулировано со скоростью подачи, определяемой через частоту колебательного движения.
Для этого можно предусмотреть, что в трубе размещено большое число балансирных масс с соответственно встречными колебательными движениями.
Для определения порога срабатывания может быть предусмотрено, что труба в цилиндре предварительно натянута пружиной в ее исходное положение.
На чертеже отражены примеры выполнения изобретения, описанные ниже. Изображают:
Фиг.1 - диаграмма с изображением взаимосвязи между ускорением «а» автомобиля, путем деформации «s» на автомобиле и длительностью «t» аварии,
Фиг.2 - диаграмма с изображением взаимосвязи между ускорением «a» автомобиля, фактической массой «m» пассажира и возникающим на плечевом ремне безопасности удерживающим усилием «f»,
Фиг.3 - вид сверху блокировочной стороны механизма втягивания ремня безопасности с системой масс в качестве устройства ограничения усилия согласно изобретению,
Фиг.4 - предмет фиг.3 в другой форме выполнения,
Фиг.5 - предмет фиг.3 в следующей форме выполнения,
Фиг.6 - отдельная балансирная масса системы масс согласно фиг.3 с дополнительной пружиной в схематичном изображении,
Фиг.7 - предмет фиг.6 в другой форме выполнения,
Фиг.8 - отдельная балансирная масса системы масс согласно фиг.3 с дополнительной пружинной системой масс в схематичном изображении,
Фиг.9 - предмет фиг.8 в другой форме выполнения,
Фиг.10 - отдельная балансирная масса системы масс с дополнительным демпфирующим средством в схематичном изображении,
Фиг.11 - предмет фиг.10 в другой форме выполнения,
Фиг.12 - предмет фиг.10 в следующей форме выполнения,
Фиг.13 - вал ремня безопасности механизма втягивания ремня безопасности с размещенной внутри него системой масс в качестве устройства ограничения усилия,
Фиг.14 - предмет фиг.3 или 4 в следующей форме выполнения, содержащей распределительный кулачок,
Фиг.15 - вид сверху размещенной в линейно работающей системе устройство ограничения усилия с системой масс,
Фиг.16 - предмет фиг.15 в другой форме выполнения,
Фиг.17 - взаимодействие устройства ограничения усилия с системой безопасности автомобиля для пассажира, в схематичном изображении.
Лежащие в основе изобретения основополагающие рассуждения поясняются сначала с привлечением диаграмм, представленных на фиг.1 и 2.
Из представленного на фиг.1 видно, что конкретная авария независимо от общих условий аварии происходит в узком временном промежутке, за приблизительное среднее значение которого могут быть приняты уже названные 70 мс. На фиг.1 торможение автомобиля «а» нанесено поверх пути деформации «s» затронутых частей автомобиля и длительности (t), с получением картины аварии. Соответствующие испытания автомобиля на столкновение (краш-тесты) показали, что результаты этих испытаний лежат по существу в площади, покрытой точками, откуда, в частности, вытекает узкий временной промежуток, в который происходит деформация автомобиля (путь деформации «а») в зависимости от импульса при аварии, то есть наступившего ускорения автомобиля, конкретно от наступившего замедления автомобиля. Тем самым результаты измерений, представленные площадью, покрытой точками, подтверждают, что кинематическая система при столкновении следует основной взаимосвязи t=√2s/а, то есть с увеличивающимся путем деформации получается более резкий импульс, при этом длительность столкновения остается по существу постоянной.
На фиг.2 представлена взаимосвязь между опять-таки ускорением «а» автомобиля, действующей в зоне плечевого ремня безопасности (в зоне груди) массы пассажира (m) автомобиля и действующей на плечевом ремне безопасности силы (f) натяжения ремня безопасности. С математической точки зрения сила натяжения ремня безопасности получается как произведение массы × ускорение (f=m·a). Как показано, эта простая математическая зависимость однако не для известного в уровне техники ограничителя усилия натяжения ремня безопасности, поскольку из-за наступающего с запаздыванием замедления пассажира автомобиля относительно автомобиля устанавливается разность скоростей между движением автомобиля и движением пассажира автомобиля, которая дает переменную дополнительную величину для ускорения «А» автомобиля на фиг.2. Тем самым для этого случая применения математическая зависимость f=m·a не имеет силы.
2
Поскольку известные из уровня техники ограничители усилия натяжения ремня безопасности исходят из твердо установленной величины нагрузки, например 3000 Н, то различные комбинации ускорений (а) и масс (m) в трехмерной системе координат могут быть помещены лишь в плоскости, параллельной базовой плоскости. В противоположность этому площадь, выделенная в диаграмме на фиг.2, показывает при применении изобретения в зависимости комбинаций от ускорений (а) автомобиля и масс (m) каждый раз по-разному действующие удерживающие усилия (f). Так, центральная точка А действительна для расчетного варианта нагрузки действующей на диагональный ремень безопасности массой 14 кг и ускорения 350 м/с соответственно примерно 35 г, для которых устанавливается удерживающее усилие примерно в 5000 Н. Общая масса пассажира распределяется в расчетном варианте нагрузки на оба участка ленты ремня безопасности и на три точки завинчивания в автомобиле. Принятая на фиг.2 масса представляет собой при этом массу, действующую на верхнюю точку диагонального ремня безопасности. Поскольку согласно изобретению возникновение разницы в скоростях между автомобилем и человеком предотвращено, то ускорение автомобиля или замедление автомобиля с другими пассажирами, имеющими различные данные, остается постоянным, так что для менее крупного человека в соответствии с точкой B с массой в неполных 10 кг при равном ускорении автомобиля в 35 г следует установить удерживающее усилие около 3500 Н. Соответственно для пассажира согласно точке С (в области груди) с массой в 20 кг имеет силу соответственно более высокое удерживающее усилие приблизительно в 6500 Н. Выполненные точками стрелки показывают при этом устанавливающиеся удерживающие усилия, если при остающейся постоянной (в области груди) массе пассажира автомобиля ускорение автомобиля (а) падает, таким образом, столкновение оказывается менее значительным. В этом случае доходит до линейного спада удерживающих усилий (f).
В отношении конструктивных примеров выполнения изобретения на фиг.3 представлен самоблокирующийся механизм втягивания ремня безопасности, как он, например, может быть заимствован из родообразующего уровня техники. Механизм втягивания ремня безопасности содержит корпус 10 с U-образной рамой 11, в которой размещен в подшипниках с возможностью вращения не показанный вал ремня безопасности в качестве опоры для наматываемой на него ленты ремня безопасности. На блокирующей стороне механизма втягивания ремня безопасности или корпуса 10, которая на фиг.1 изображена в виде сверху, на не показанном валу ремня безопасности установлена в подшипниках с возможностью радиального поворота стопорная зубчатая шайба 12, охваченная установленным в корпусе 10 в подшипниках с возможностью вращения зубчатым кольцом 13 с внутренним зубчатым венцом 14. Зубчатый венец стопорной зубчатой шайбы 12 и внутренний зубчатый венец 14 зубчатого кольца 13 рассчитаны при этом таким образом, что при зацеплении стопорной зубчатой шайбы 12 с внутренним зубчатым венцом 14 зубчатого кольца 13 при вращении вала ремня безопасности в направлении вытягивания ремня безопасности согласно стрелке 21 зубчатое кольцо 13 подхватывается в направлении стрелки 21.
На наружной стороне зубчатого кольца 13 выполнен наружный зубчатый венец 15. Кроме того, зубчатое кольцо 13 по своему наружному диаметру охвачено и окружено шестью симметрично расположенными балансирными массами 16, при этом каждая балансирная масса 16 посредством расположенной по центру вращающейся опоры 17 таким образом установлена в подшипниках на корпусе 10, что каждая балансирная масса 16 может выполнять обозначенное стрелкой 22 колебательное движение вокруг ее соответствующей вращающейся опоры 17. Каждая балансирная масса 16 имеет при этом двуплечую форму с проходящими по обе стороны от вращающейся опоры 17 плечами 18, при этом на наружных концах каждого плеча 18 выполнен зубец 19, которым соответствующая балансирная масса в обоих своих концевых колебательных положениях каждый раз входит в зацепление с наружным зубчатым венцом 15 зубчатого кольца 13. Зубчатые зацепления наружного зубчатого венца 15 или зубцов 19 балансирной массы 16 рассчитаны при этом таким образом, что при вращении зубчатого кольца 13 в направлении вращения по стрелке 21 смежные боковые поверхности зубцов соскальзывают друг с друга, и посредством вращающегося зубчатого кольца 13 балансирные массы 16 приводятся в колебательное движение или удерживаются в нем благодаря тому, что зубец 19 на одной стороне балансирной массы находится в зацеплении с наружным зубчатым венцом 15 зубчатого кольца 13, в то время как противоположный зубец 19 не находится в зацеплении с наружным зубчатым венцом, при этом при дальнейшем повороте зубчатого кольца 13 относительно этой балансирной массы находящийся сначала в зацеплении зубец 19 выдвигается, и благодаря этому балансирная масса 16 отклоняется таким образом, что ее противоположный зубец 19 перемещается в зацепление с наружным зубчатым венцом 15 зубчатого кольца 13. При продолжении вращения зубчатого кольца 13 относительно этой балансирной массы происходит обратный процесс движения, вследствие чего балансирная масса 16 при вращении зубчатого кольца 13 благодаря попеременному зацеплению ее наружных зубцов 19 удерживается в колебательном движении, но при этом одновременно переключающееся в определенный момент зацепление зубцов 19 балансирной массы не допускает беспрепятственное вращение зубчатого кольца 13, более того, в зависимости от частоты колебательного движения определена возможная скорость вращения зубчатого кольца 13.
При аварии стопорная зубчатая шайба 12 с помощью не показанной, однако достаточно известной для самоблокирующихся механизмов натяжения ремня безопасности системы управления, быстро реагирующей на ленту ремня безопасности и/или на автомобиль, переводится в зацепление с внутренним зубчатым венцом 14 зубчатого колеса 13. Поскольку сначала зубчатое колесо 13 посредством не показанного отрывного штыря установлено для того, чтобы установить порог срабатывания для приведения в действие системы масс, то после превышения соответствующей нагрузки происходит вращение зубчатого кольца 13 в направлении стрелки 21. При этом - как было описано - зубчатое кольцо 13 своим наружным зубчатым венцом 15 выдвигает размещенные по его наружной окружности балансирные массы 16 с их зубцами 19 каждый раз на одной их стороне, при этом балансирные массы 16 расположенными на другой их стороне зубцами 19 вновь входят в зацепление с наружным зубчатым венцом 15. В течение этого процесса отдельные балансирные массы 16 соответственно попеременно разгоняются и тормозятся, благодаря чему уменьшается энергия. При этом чем больше воздействующие на балансирные массы силы ускорения, тем больше одновременно возникающие вследствие их колебательного движения силы торможения. Таким образом, зубчатое кольцо и тем самым вал ремня безопасности благодаря своему соединению через стопорную зубчатую шайбу 12 могут вращаться лишь с такой скоростью вращения, которую допускают ритмично раскачивающиеся балансирные массы, так что вытягивание ленты ремня безопасности путем вращения вала ремня безопасности в направлении размотки определено лишь колебанием системы масс, возбуждаемым или, соответственно, начинающимся благодаря вращательному движению вала ремня безопасности, и тем самым не зависит от действующего на ленту ремня безопасности усилия вытягивания ремня безопасности.
Если в уровне техники длина вытянутой ленты ремня безопасности по существу определялась через величину силы натяжения ремня безопасности, воздействующей и, например, в большей или меньшей степени закручивающей использованный в качестве устройства ограничения усилия сплошной торсион, то при примененной согласно изобретению системе масс длина вытягиваемой или вытянутой ленты ремня безопасности зависит лишь от времени, в течение которого работает система масс. Поскольку согласно изобретению произошедшая авария должна закончиться примерно спустя 70 мс, система масс может быть рассчитана таким образом, что ее функционирование заканчивается спустя примерно этот промежуток времени, так что последующее вытягивание ремня безопасности уже больше не происходит и лента ремня безопасности через неподвижное тормозное кольцо фиксируется жестко в корпусе. Может быть предусмотрено вступающее в действие в конце установленного отрезка времени отключение колебаний, вызывающее приведение системы масс в состояние неподвижности.
В представленном примере выполнения система масс, состоящая из балансирных масс 16, размещена на корпусе 10 механизма втягивания ремня безопасности; можно также разместить эту систему масс на сопряженной торцевой стороне самого вала ремня безопасности.
Явствующий из фиг.4 пример выполнения отличается от описанного ранее примера выполнения тем, что балансирные массы 16, распределенные по окружности зубчатого кольца 13, перекрывают друг друга в направлении вращения по стрелке 21, благодаря тому, что на одной балансирной массе 16 выполнен выступающий в направлении вращения перекрывающий выступ 23, накладывающийся на перекрывающий уступ 24, выполненный на соседней в направлении вращения балансирной массе 16. Таким образом, можно отказаться от выполнения зубца 19 под перекрывающим выступом. Тем самым можно дополнительно синхронизировать колебательное движение отдельных балансирных масс 16.
Пример выполнения, представленный на фиг.5, соответствует форме выполнения, описанной в связи с фиг.3. Вместо упомянутого в связи с фиг.3 отрывного штифта в примере выполнения, представленном на фиг.5, предусмотрена охватывающая балансирные массы снаружи кольцевая пружина 20, создающая единообразное предварительное натяжение всех балансирных масс. С помощью этой кольцевой пружины определяется исходное усилие, которое должно быть преодолено, прежде чем система масс начнет работать. В этом отношении незначительные напряжения вала ремня безопасности посредством прилагаемой к ленте ремня безопасности силы вытягивания под обусловленным кольцевой пружиной 20 порогом срабатывания не ведут к вращению зубчатого кольца 13 с вызываемым в результате этого движением балансирных масс 16 системы масс. Одновременно соответствующие зубчатые венцы и кольцевая пружина 20 могут быть выполнены и рассчитаны таким образом, что в конце процесса ограничения усилия с приостановкой системы масс собственный блокировочный зубчатый венец механизма втягивания ремня безопасности всегда останавливается таким образом, что имеет место синхронизация элементов управления самоблокирующегося механизма втягивания ремня безопасности для быстро реагирующей на ленту ремня безопасности и/или автомобиль блокировки. Тем самым можно многократно последовательно использовать возбуждаемую системой масс функцию ограничения усилия.
Кроме того, при применении нескольких балансирных масс может быть предусмотрено, что они работают либо синхронно, либо также движутся асинхронно. В особом случае это оказывает влияние на степень ограничения усилия.
Может оказаться целесообразным дополнительно воздействовать на движение балансирных масс 16, в частности, с учетом предусматриваемого управления во времени. Так, с балансирной массой 16 или балансирными массами 16 каждый раз могут входить в зацепление пружинные системы или же пружинные системы масс или другие тормозные или демпфирующие элементы, чтобы воздействовать на продолжительность колебаний и/или частоту колебаний балансирных масс. При этом дополнительные элементы управления могут быть рассчитаны таким образом, что выпуск ленты ремня безопасности, определенный через допускаемое балансирными массами вращение зубчатого кольца 13, может быть установлен изменяющимся по отношению к импульсу автомобиля.
В самой простой форме выполнения согласно фиг.6 предусмотрена пружина 25, которая одним своим концом закреплена на плече 18 сопряженной балансирной массы 16, а другим своим концом - на жестко установленной в корпусе неподвижной опоре 26. Поскольку при колебательном движении балансирной массы 16 в одном направлении дополнительно должно быть преодолено усилие пружины 25, то тем самым ограничивается продолжительность колебательного движения.
При примере выполнения, представленном на фиг.7, сопряженный конец пружины 25 закреплен на специальном рычаге 27, установленном с возможностью поворота вокруг неподвижной в корпусе точке поворота 28. Рычаг 27 имеет двуплечую форму с первым плечом 29 в качестве места закрепления для пружины 25 и вторым плечом 30, при этом второе плечо 30 входит в зону вращения зубчатого кольца 13 и плотно прилегает здесь к выполненному на зубчатом кольце 13 кулачку 31. При вращении зубчатого кольца 13 к заданному моменту времени посредством прикрепленного к плечу 27 кулачка 31 изменяется сила пружины 25 и тем самым оказывается воздействие на характер качаний сопряженной балансирной массы 16.
В примерах выполнения, представленных на фиг.8 и 9, пружинная система по фиг.6 дополнена дополнительной массой 32, благодаря чему образуется пружинная система масс, также воздействующая на частоту колебаний и на период колебаний сопряженной балансирной массы 16. К тому же в примере выполнения, представленном на фиг.8, в выполненную из двух частей пружину 25 включена дополнительная масса 32.
В примере выполнения, представленном на фиг.9, пружина 25 вместе с массой 32 одним свои концом прикреплена к балансирной массе 16, а другим своим концом прикреплена к остановочному плечу 33, которое само находится на балансирной массе 16.
Кроме того, регулирование колебательного движения возможно, поскольку, согласно фиг.10, с балансирной массой 16 входит в зацепление обозначенный штриховкой тормозной элемент 34, оказывающий отмеченное стрелкой 34а тормозное усилие на балансирную массу 16. В примере выполнения, представленном на фиг.11, предусмотрен работающий на механической основе демпфирующий элемент 35, который может быть выполнен, например, как поршневой механизм.
В примере выполнения, представленном на фиг.12, балансирная масса 16 снабжена электромеханическим демпфирующим элементом 36.
На фиг.13 представлено размещение системы масс, действующей как устройство ограничения усилия, внутри вала ремня безопасности механизма втягивания ремня безопасности. При этом система масс рассчитана так же, как система масс, описанная в связи с фиг.3 или фиг.3-5. Поскольку в механизме втягивания ремня безопасности, известном из уровня техники, относящийся к нему вал 70 ремня безопасности с торцовой стороны таким образом соединен с профильной головкой 71, при срабатывании блокируемой жестко в корпусе, что для ограничения усилия вал 70 ремня безопасности относительно заблокированной профильной головки 71 может продолжать вращаться, то вал 70 ремня безопасности выполнен как полое тело с внутренней полостью 72, причем на стенке вала 70 ремня безопасности с внутренней стороны установлены в опорах с распределением по окружности балансирные массы 16 с наружными зубцами 19, как это описано относительно фиг.3. Относящийся к этому наружный зубчатый венец 15 для зацепления балансирной массы 16 с зубцами 19 выполнен на размещенном на профильной головке 71 и проходящем аксиально в полость 72 вала 70 ремня безопасности стержневом элементе 73, жестко соединенном с профильной головкой 71. Если в случае блокировки происходит блокировка профильной головки 71, то стопорящийся натяжитель ремня безопасности на наматываемой на вал 70 ремня безопасности ленте ремня безопасности ведет к дальнейшему повороту вала 70 ремня безопасности относительно профильной головки 71 или жестко с ней соединенному стержневому элементу 73, при этом в результате дальнейшего поворота вала ремня безопасности размещенные в полости 72 балансирные массы 16 с их зубцами 19 в каждом случае соскальзывают с наружного зубчатого венца 15 стержневого элемента 73, благодаря чему достигается приведенное для ограничения усилия колебательное движение балансирных масс 16. Для привода балансирной массы или балансирных масс может привлекаться не вращение зубчатого кольца, вызванное силой натяжения ленты ремня безопасности, а, напротив, можно также предусмотреть работающий по типу часового механизма независимый привод, например, в виде предварительно натянутой пружинной системы масс, которая вызывает или регулирует движение балансирных масс в заданном промежутке времени. При этом между балансирной массой и независимым приводом может быть установлен передаточный механизм, который может быть выполнен как в виде самотормозящего, так и не самотормозящего передаточного механизма.
Пример выполнения, представленный на фиг.14, по существу соответствует примерам выполнения, представленным на фиг.3 и 4, однако основывается на ином вводе движения вращения вала ремня безопасности в колебательное движение соответствующей балансирной массы. В этом примере выполнения лишь балансирная масса 40 установлена с возможностью качательного движения вокруг неподвижной в корпусе точки 41 вращения, при этом на свободный конец балансирной массы 40 насажена дополнительная масса 42, которая через приводной механизм 43 присоединена к балансирной массе 40. Этим в целом повышается инерция балансирной массы 40, а именно, с учетом промежуточного приводного механизма 43. Балансирная масса 40 отстоящим от нее управляющим стержнем 44 входит в зацепление в приводную шестерню 45, расположенную с возможностью вращения на корпусе 10 механизма втягивания ремня безопасности, при этом приводная шестерня 45, как и зубчатое кольцо 13, снабжено внутренним зубчатым венцом 46, в которое регулируемая стопорная зубчатая шайба 12 вводится таким образом, что вращательное движение вала ремня безопасности в направлении стрелки 21 может преобразовываться в вращательное движение приводной шестерни 45.
В приводной шестерне 45 предусмотрен проходящий по спирали распределительный кулачок 47, выполненный в форме выемки, размещенной в приводной шестерне 45 с торцовой стороны, по которому направляется управляющий стержень 44 балансирной массы 40. Заданный распределительный кулачок 47 имеет такую форму, что благодаря ей достигаются соответствующие колебательные движения балансирной массы 40 с дополнительной массой 42 вокруг точки 41 вращения. При этом распределительный кулачок 47 на своем участке 49 сформирован заметно более плоским, благодаря чему в этой зоне выпуск ленты ремня безопасности в единицу времени больше и сила вытягивания ремня безопасности соответственно уменьшается. На концевом участке 50 распределительного кулачка 47 распределительный кулачок 47 имеет снова более крутую форму, для того чтобы достичь более сильного торможения и затем закончиться в стопорящей выемке 51, при достижении которой со стороны управляющего стержня 44 дальнейшее колебательное движение балансирной массы 40 и тем самым также возможный выпуск ленты ремня безопасности завершены. Выполняемый по своему конструктивному решению изменяющимся, распределительный кулачок 47 позволяет вместе с тем осуществлять подгонку выпуска ленты ремня безопасности, заданного в каждом случае регулировкой, к существующей характеристике торможения данного автомобиля.
Наконец, на фиг.15 и 16 представлена линейно работающая система, при которой наступающее в случае столкновения относительное перемещение ее составных частей относительно друг друга преобразовано в ограничение усилия. При этом может подразумеваться, например, вдвигаемая в неподвижную в автомобиле часть колонка рулевого управления в качестве опоры рулевого колеса. В частности, на фиг.15 предусмотрена жестко установленная в автомобиле часть, выполненная в виде цилиндра 55, снабженная внутренним зубчатым венцом 62. В цилиндре 55 установлена с возможностью перемещения трубообразная колонка 56 рулевого управления в качестве опоры рулевого колеса 57, в которой в представленном примере выполнения размещены с возможностью вращения вокруг неподвижных точек 60 вращения две балансирные массы 59. Колонка 56 рулевого управления имеет расположенные противоположно друг другу отверстия 58, через которые расположенные на балансирных массах 59 зубцы 61 при соответствующих колебательных движениях балансирной массы 59 могут проходить вплоть до зацепления с внутренним зубчатым венцом 62 цилиндра 55. Процесс движения в целом происходит так, как описано в связи с фиг.3, так как при вдвигании колонки 56 рулевого управления в цилиндр 55 зубцы балансирных масс 59 на одной стороне цилиндра 55 соскальзывают с внутреннего зубчатого венца 62 и тем самым расцепляются с ним и одновременно вследствие их колебательного движения на противоположной стороне входят в зацепление с внутренним зубчатым венцом 62 цилиндра 55. Для поддержания движения вдвигания в цилиндре 55 установлена еще пружина 63, которая определяет преодолеваемое начальное усилие и одновременно также способствует возврату колонки 56 рулевого управления в исходное положение после окончания процесса ограничения усилия, как это в принципе описано также в отношении примеров выполнения по фиг.3 и 5.
В примере выполнения, представленном на фиг.16, существуют в принципе те же условия, при этом вместо двух балансирных масс 59, представленных на фиг.15, теперь предусмотрены четыре балансирные массы 59, которые располагаются в продольном направлении колонки 56 рулевого управления и имеют соответственно двуплечую форму с установленными на каждом плече зубцами 61. В связи с этим функцию описанных в связи с фиг.1 указанных там балансирных масс 16 в принципе следует перенести на пример выполнения по фиг.16.
Подобное размещение применимо также при линейно работающей системе ремня безопасности, между тем, например, вместо колонки 56 рулевого управления в цилиндр 55 может быть вставлена накладная деталь как опора для ремня безопасности. Равным образом может быть предусмотрено, что здесь могут быть предусмотрены относительные перемещения подвижной части автомобиля, как толкателя или участка лонжерона автомобиля, в цилиндр 55 как неподвижную часть автомобиля.
Согласованность действия регулируемого по времени и скорости выпуска ремня безопасности согласно разъясненному выше примеру выполнения еще раз поясняется вследствие фиг.17. Пассажир 71, находящийся на сиденье 70, представлен в конце пути смещения вперед, ставшего возможным благодаря регулируемому выпуску ленты 72 ремня безопасности, в котором голова пассажира ударяется о надувную подушку безопасности 73. Подушка безопасности 73 при этом раскрывается из рулевого колеса 74, которое, в свою очередь, установлено на выполненной с возможностью вдвигания колонке 76 рулевого управления. Поскольку скорость выпуска ленты 72 ремня безопасности задана не показанным механизмом втягивания ремня безопасности, то скорость надувания или скорость вентилирования подушки 73 безопасности, с одной стороны, как и скорость вдвигания колонки 76 рулевого управления может быть отрегулирована соответствующим образом, при этом сумма скорости, отнесенной к подушке безопасности, и скорости, отнесенной к колонке рулевого управления, должна соответствовать скорости выпуска ремня безопасности. При таком конструктивном решении создается в целом наименьшая нагрузка на пассажира 71 автомобиля.
Признаки предмета этих материалов, раскрытые в предшествующем описании, в формуле изобретения, реферате и чертежах, могут иметь значение как по отдельности, так и в комбинации друг с другом для осуществления изобретения в его различных формах выполнения.