DE102006032066A1

DE102006032066A1 - Gurtaufroller für ein Sicherheitsgurtsystem sowie Verfahren zur Bestimmung des Gurtbandabzugs in einem Gurtaufroller

Info

Publication number: DE102006032066A1
Application number: DE102006032066A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Holbein; Michael Stütz; Marc Arndt
Original assignee: TRW Automotive GmbH
Current assignee: ZF Automotive Germany GmbH
Priority date: 2006-07-11
Filing date: 2006-07-11
Publication date: 2008-01-24
Also published as: US20080012285A1; US7891596B2

Abstract

Ein Gurtaufroller für ein Sicherheitsgurtsystem hat eine Gurtspule und eine Gurtbandabzugsmeßeinrichtung (30), die eine Steuerscheibe (26), ein magnetisches Sensorelement (40) und ein von der Steuerscheibe (26) angetriebenes, als separates Teil ausgebildetes Magnetzahnrad (36) aufweist. Weiterhin wird ein Verfahren zur Bestimmung des Gurtbandabzugs in einem Gurtaufroller beschrieben.

Description

Die Erfindung betrifft einen Gurtaufroller für ein Sicherheitsgurtsystem sowie ein Verfahren zur Bestimmung des Gurtbandabzugs in einem Gurtaufroller.
In Kraftfahrzeugen werden in zunehmendem Maße Einrichtungen zum Schutze des Insassen wie Gurtstraffer, in Gurtaufrollern eingesetzte Kraftbegrenzer oder auch Gasgeneratoren für Gassackmodule je nach Unfallschwere und Insassenposition in ihrer Leistung angepaßt. Dabei ist die Information des relativen und absoluten Gurtbandabzugs sehr hilfreich.
Bei Gurtaufrollern, bei denen die Triebfeder zum Aufwickeln des Gurtbandes durch einen Motor unterstützt wird, um im angeschnallten Zustand einen erhöhten Komfort zu gewährleisten, ist es zudem nötig, die absolute Gurtbandposition zu erkennen, um zu ermitteln, ob der Gurt in Ablageposition ist oder sich überhaupt bewegt. Je nach Bedarf kann dann der unterstützende Motor aktiviert werden.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Gurtaufroller mit einer Gurtbandabzugsmeßeinrichtung bzw. ein Verfahren zur Bestimmung des Gurtbandabzugs in einem Gurtaufroller zu schaffen, mittels dem sich der Gurtbandabzug bzw. die Gurtbandposition auf einfache Weise bestimmen läßt.
Hierzu ist erfindungsgemäß ein Gurtaufroller für einen Sicherheitsgurt vorgesehen, mit einer Gurtspule und einer Gurtbandabzugsmeßeinrichtung, die eine Steuerscheibe, ein magnetisches Sensorelement und ein von der Steuerscheibe angetriebenes, als separates Teil ausgebildetes Magnetzahnrad aufweist. Wird Gurtband von der Gurtspule abgezogen, so dreht sich diese bzw. nimmt eine bestimmte Stellung ein, wobei sich die Steuerscheibe mit der Gurtspule mitbewegt. Über die Steuerscheibe wird das Magnetzahnrad angetrieben, dessen Position relativ zum Sensorelement ermittelt und daraus auf den Gurtbandabzug geschlossen wird. Es sei angemerkt, daß im Sinne der Erfindung unter Gurtbandabzug sowohl der Vorgang als auch das Ergebnis, das auch als Gurtbandposition bezeichnet werden kann, zu verstehen ist. Der erfindungsgemäße Gurtaufroller zeichnet sich durch eine besonders einfache Ausgestaltung, eine einfache Montage sowie eine kompakte Bauform aus. Aufgrund des separat ausgebildeten Magnetzahnrads kann eine übliche Steuerscheibe verwendet werden, die gegebenenfalls geringfügig modifiziert wird.
Vorteilhaft ist die Steuerscheibe über ein Untersetzungsgetriebe mit der Gurtspule gekoppelt. Auf diese Weise läßt sich die Gesamtzahl an Umdrehungen der Gurtspule für ein vollständiges Abwickeln des Gurtbands auf eine einzige Umdrehung der Steuerscheibe oder weniger abbilden, wodurch ein absolut messendes System geschaffen wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Steuerscheibe über ein Zwischenrad mit dem Magnetzahnrad gekoppelt. Somit ist die Position des Magnetzahnrads innerhalb gewisser Grenzen frei wählbar, insbesondere kann das Magnetzahnrad radial außerhalb der Steuerscheibe angeordnet werden, wodurch sich bauraumtechnische Vorteile ergeben können.
Das Magnetzahnrad kann aus einem kunststoffgebundenen Magnetmaterial bestehen oder ein Zahnrad mit darin eingebettetem Magneten sein. In beiden Fällen ist das Zahnrad vorzugsweise so ausgebildet, daß die beiden Magnetpole einander diametral gegenüberliegen.
Insbesondere ist das Sensorelement mit einer Auswerteelektronik gekoppelt, die aus den vom Sensorelement ausgegebenen Signalen den Gurtbandabzug ermittelt. Dabei können, je nach Art des verwendeten Sensorelements, unterschiedliche Signale ausgegeben werden, an die die zugeordnete Auswerteelektronik angepaßt ist.
Eine besonders kostengünstige Lösung ergibt sich, wenn die Auswerteelektronik in ein vorhandenes Steuergerät integriert ist. Dieses kann ein Steuergerät für einen Fahrzeugsitz, für ein Gassackmodul oder ein kombiniertes Steuergerät sein. Alternativ ist es ebenso möglich, die Auswerteelektronik als eigenständiges Steuergerät auszuführen. Die Information über den momentanen Gurtbandabzug kann in beiden Fällen z.B. über ein Fahrzeugbussystem an verschiedene Geräte übertragen werden, die diese Information benötigen.
In einer Ausführungsform weist das Sensorelement einen Chip mit vier symmetrisch angeordneten Hall-Sensoren auf und ist somit als Sensorelement mit integrierter Winkelberechnung ausgebildet, welches direkt den Winkel des Magnetfelds ausgibt.
Eine besonders kostengünstige sowie platzsparende Unterbringung ergibt sich, wenn die Steuerscheibe Teil eines Kindersicherungssystems ist. In diesem Fall muß für die Steuerscheibe kein separates Bauteil vorgesehen werden.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Bestimmung des Gurtbandabzugs in dem bereits beschriebenen Gurtaufroller vorgesehen, welches die folgenden Schritte aufweist. Zunächst wird die Winkellage des Magnetzahnrads relativ zum Sensorelement durch Erfassung geeigneter Signale bestimmt und anschließend der Gurtbandabzug durch eine Auswerteelektronik anhand der ermittelten Winkellage ermittelt.
Gemäß einer Weiterbildung ist vorgesehen, daß das Sensorelement zusätzlich Diagnosesignale ausgibt, die zur Ermittlung und Plausibilisierung des Gurtbandabzugs herangezogen werden. Bei den Diagnosesignalen handelt es sich z.B. um Informationen, ob das Magnetfeld die richtige Stärke hat und ausreichend linear für die Bestimmung der Winkellage ist.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mehrerer bevorzugter Ausführungsformen anhand der beigefügten Zeichnung. In dieser zeigt:
1 eine Ansicht eines erfindungsgemäßen Gurtaufrollers;
2 eine Perspektivansicht der Gurtbandabzugsmeßeinrichtung des Gurtaufrollers aus 1;
3 eine Explosionsansicht der Gurtbandabzugsmeßeinrichtung aus 2;
4 eine Seitenansicht der wesentlichen Elemente der Gurtbandabzugsmeßeinrichtung aus 2;
5 eine Draufsicht auf die wesentlichen Elemente der Gurtbandabzugsmeßeinrichtung aus 2;
6 verschiedene Blockschaltbilder von bei der Gurtbandabzugsmeßeinrichtung gemäß 2 verwendeten Sensorelementen mit zugehöriger Auswerteelektronik;
7 eine schematische Darstellung eines bei der Gurtbandabzugsmeßeinrichtung gemäß 2 verwendeten Sensorelements; und
8 schematisch den Zusammenhang zwischen der Ausrichtung des Magneten und der vertikalen Magnetfeldkomponente, die vom Sensorelement zur Bestimmung des Gurtbandabzugs erfaßt wird.
1 zeigt einen erfindungsgemäßen Gurtaufroller 10, der eine Gurtspule 12 aufweist, auf der das in der Figur nicht dargestellte Gurtband aufgewickelt wird. Die Achse der Gurtspule 12 ist zwischen einer Triebfederschale 14, in der eine in der Figur nicht dargestellte Triebfeder zum Aufrollen des Gurtbands untergebracht ist, und einer Sperrseitenschale 16 spitzengelagert. In der Sperrseitenschale 16 ist ein Sperrsystem enthalten, das über einen fahrzeugsensitiven Sensor sowie einen gurtbandsensitiven Sensor die Verzögerung des Fahrzeugs bzw. des Insassen registriert.
In der Sperrseitenschale 16 ist auch ein Kindersicherungssystem untergebracht. Dieses weist ein Stufenzahnrad 18 auf (siehe 2 bis 5), dessen äußere Verzahnung 20 mit einer Verzahnung 22 an der Gurtspule 12 kämmt. Das Stufenzahnrad 18 untersetzt dabei die Umdrehungen der Gurtspule 12 über eine innere Verzahnung 24 auf eine Steuerscheibe 26, bei der es sich um ein Schaltrad mit Innenverzahnung 28 handelt. Bei der gezeigten Ausführungsform wird der komplette Gurtbandabzug auf ca. eine ¾-Umdrehung der Steuerscheibe 26 abgebildet. Die Steuerscheibe 26 ist also über ein Untersetzungsgetriebe mit der Gurtspule 12 gekoppelt, das im wesentlichen durch das Stufenzahnrad 18 gebildet wird. Bei Komplettabzug des Gurtbands wird eine Wippe (nicht gezeigt) betätigt, die das Sperrsystem aktiviert. Damit können Kindersitze sicher im Fahrzeug befestigt werden. Beim Ablegen des Gurtbandes wird diese Wippe durch eine zweite Rastnase deaktiviert.
Ebenfalls in der Sperrseitenschale 16 angeordnet ist eine Gurtbandabzugsmeßeinrichtung 30, die ebenfalls die Steuerscheibe 26 nutzt, um zu bestimmen, wieviel Gurtband von der Gurtspule 12 abgezogen ist oder wird. Zu diesem Zweck weist die Steuerscheibe 26 eine zusätzliche umlaufende Verzahnung 32 auf, die die Drehbewegung der Steuerscheibe 26 über ein Zwischenrad 34 auf ein Magnetzahnrad 36 überträgt. Das Magnetzahnrad 36 ist als separates Teil ausgebildet und kann aus einem kunststoffgebundenen Magnetmaterial bestehen oder, wie in den Figuren gezeigt, ein gewöhnliches Zahnrad mit einem darin eingebetteten Magneten 38 sein.
Der Magnet 38 ist derart angeordnet, daß seine Pole sich (bezogen auf das Zentrum des Magnetzahnrads 36) diametral gegenüberliegen. Unmittelbar gegenüber dem Magnetzahnrad 36 ist ein magnetisches Sensorelement 40 in der Sperrseitenschale 16 untergebracht, das radial außerhalb der Steuerscheibe 26 angeordnet ist. Das Sensorelement 40 ist bezogen auf die Blickrichtung der 5 unterhalb des Magnetzahnrads 36 flach angebracht und erfaßt eine Änderung des durch den Magneten 38 erzeugten Magnetfelds. Da diese Änderung des Magnetfelds geometrisch mit dem Gurtbandabzug gekoppelt ist und ein Komplettabzug des Gurtbands durch die gewählte Anordnung auf eine Umdrehung des Magnetzahnrads 36 reduziert wird, handelt es sich um eine absolute Messung. Mit einer entsprechenden Mechanik ließe sich das Übersetzungsverhältnis weiter verringern, um eine höhere Auflösung der Meßwerte zu erreichen. Mit 42 ist eine Abdeckung bezeichnet.
Abweichend von der in den Figuren gezeigten Ausgestaltung kann das Sensorelement 40 (inkl. einer zugehörigen Platine) mit dem Magnetzahnrad 36 sowie einem gemeinsamen Trägerteil eine Vormontagegruppe bilden, die bei der Montage in die Sperrseitenschale 16 geschoben, in Eingriff mit der (bestehenden) Kindersicherungs-Verzahnung gebracht und fixiert wird. Dabei ist das Trägerteil vorzugsweise magnetisch neutral. Ein Vorteil dieser Ausgestaltung ist die separate Prüfbarkeit der Vormontagegruppe, die sich zudem bei entsprechender Beschaltung der Platine kalibrieren läßt. Außerdem ist das Material des Trägerteils unabhängig vom Schalenmaterial, was sich günstig auf die Temperaturbeständigkeit, die Positioniergenauigkeit, das Dauerlaufverhalten sowie den Bauraum auswirkt.
Je nach verwendetem Sensorelement 40 sind unterschiedliche Möglichkeiten zur Anbindung des Sensorelements und Verwertung der vom Sensorelement ausgegebenen Signale möglich. Wie aus 6 hervorgeht, ist das Sensorelement 40 mit einer Auswerteelektronik 44 gekoppelt, die aus den vom Sensorelement 40 ausgegebenen Signalen den Gurtbandabzug ermittelt. Gemäß einer ersten Ausführungsform (6a) ist vorgesehen, daß die Auswerteelektronik 44 in Form eines Mikrocontrollers vom Sensorelement Signale über den Sinus- und Kosinusvektor des Magnetfelds empfängt und aus diesen Informationen den Gurtbandabzug (bzw. die Position der Gurtspule) ermittelt.
Eine alternative Ausgestaltung gemäß 6b sieht vor, daß die Auswerteelektronik 44 vom Sensorelement 40, das über eine integrierte Winkelberechnung verfügt, ein analoges oder pulsweitenmoduliertes Signal empfängt, welches unmittelbar die Winkelstellung des Magneten 38 zum Sensorelement 40 angibt. 6c sieht ebenfalls ein Sensorelement 40 mit integrierter Winkelberechnung vor, wobei dieses ein digitales Signal an die Auswerteelektronik 44 ausgibt.
Bei der Ausführungsform nach 6d werden vom Sensorelement 40 zusätzlich zur Magnetfeld-Winkelinformation Diagnosesignale an die Auswerteelektronik 44 übermittelt, die zur Berechnung und Plausibilisierung des Gurtbandabzugs verwendet werden. Dabei handelt es sich um Informationen, ob das Magnetfeld die richtige Stärke hat und ausreichend linear für die Positionsbestimmung ist.
Die Auswerteelektronik 44 kann als eigenständiges Steuergerät ausgeführt sein, vorteilhaft wird jedoch ein vorhandenes Steuergerät (ACR, Fahrzeugsitz-Steuergerät, Gassackmodul-Steuergerät, Kombinationssteuergerät etc.) verwendet, um die Signale des Sensorelements 40 einzulesen und daraus den Gurtbandabzug zu bestimmen. Die Information über den Gurtbandabzug kann beispielsweise über ein Fahrzeugbussystem an weitere Steuergeräte übertragen werden, die diese Information benötigen.
7 zeigt ein Beispiel für ein Sensorelement 40 mit integrierter Winkelberechnung. Dieses weist einen Chip 46 mit vier symmetrisch zum Mittelpunkt M des Chips 46 angeordneten Hall-Sensoren 48 auf. Die von den Hall-Sensoren 48 ausgegebenen Signale sind mit X₁, X₂, V₁ und Y₂ (vgl. 7) bezeichnet. Das Sensorelement 40 mit dem Chip 46 befindet sich in einer aufrollerfesten Position gegenüber dem Magneten 38, der sich relativ zum Chip 46 drehen kann und somit den Winkel seiner magnetisch neutralen Achse in Bezug auf die Hall-Sensoren 48 ändert. Der Magnet 38 ist diametral oder einseitig zweipolig magnetisiert. Die Orientierung und Konfiguration der Hall-Sensoren 48 ist so gewählt, daß mit Hilfe der Vertikalkomponente des Magnetfelds, die in 8 für den dort abgebildeten Magneten 38 dargestellt ist, die Winkellage des Magneten 38 relativ zum Sensorelement 40 gemessen werden kann.
Das Differenzsignal Y₁ – Y₂ ergibt einen Sinusvektor des magnetischen Feldes, während das Differenzsignal X₁ – X₂ einen dazu orthogonalen Kosinusvektor ergibt. Der Winkel Φ zwischen dem Magneten 38 und dem Sensorelement 40 läßt sich mit folgender Gleichung berechnen:
Anhand des Winkels Φ zwischen dem Magneten 38 und dem Sensorelement 40 wird in der Auswerteelektronik 44 der Gurtbandabzug bestimmt.
In 8 bezeichnet A die Drehachse des Magneten 38, die durch den Mittelpunkt M des Chips verläuft. Mit R₁ ist der Abstand der Hall-Sensoren 48 vom Mittelpunkt M bezeichnet.
Alternativ kann ein sogenannter GMR-Sensor oder AMR-Sensor eingesetzt werden, der über sein Sensorelement den absoluten Winkel des Magnetfelds und damit den absoluten Gurtbandabzug detektiert. Dabei kommt in beiden Fällen ein Diametralmagnet zum Einsatz. Es werden die horizontalen Magnetfeldlinien zur Auswertung des Winkels herangezogen.
Um zuverlässige Meßwerte zu erhalten, wird z.B. ein Seltenerdmagnet (Nd-Fe-B + Bindemittel) eingesetzt.
Die von der Gurtbandabzugsmeßeinrichtung 30 ermittelte Information über den momentan vorliegenden Gurtbandabzug (bzw. die Gurtbandposition) kann für unterschiedliche Anwendungen herangezogen werden. So kann durch Ermittlung des Gurtbandabzugs und Vergleich mit einer definierten Gurtbandposition (die beispielsweise regelmäßig überprüft wird) beurteilt werden, ob sich der Fahrzeuginsasse nach vorne beugt. Diese Information kann genutzt werden, um im Fahrzeug vorhandene Rückhaltesysteme, etwa einen zweistufigen Gassack, zu steuern bzw. anzupassen. Ebenso kann die Information über den Gurtbandabzug dazu genutzt werden, die Signale eines Videoerkennungssystems, eines Gewichtssensors oder eines anderen Systems zur Personenidentifikation und -positionierung zu plausibilisieren.
Eine weitere Anwendung liegt in der Ermittlung des Insassengewichts, das sich durch eine Absolutmessung des Gurtbandabzugs mit hinreichender Genauigkeit bestimmen läßt, sofern Daten über die Sitzposition sowie einen Gurthöhenversteller vorliegen.
Weiterhin kann die Information über den Gurtbandabzug für motorunterstützte Komfortfunktionen genutzt werden. Bei Gurtaufrollern, insbesondere mit reversiblem Gurtstraffer, läßt sich die Triebfederkraft reduzieren, wenn beim Ablegen des Gurtbandes ein Motor zugeschaltet wird, der die Triebfeder in ihrer Aufrollwirkung unterstützt.
Wird etwa bei einer Triebfeder mit reduzierter Kraft das Gurtband ausgezogen, ohne daß sich der Insasse anschnallt, so kann das Signal des Gurtbandabzugs zur Aktivierung der Motorunterstützung dienen.
Ein weiterer Anwendungsfall ist der folgende. Erfährt während des Gurtbandaufrollens nach dem Abschnallen die Motorsteuerung ein Abbremsen der Motorgeschwindigkeit, so kann es sich um die Endposition der Steckzunge oder um ein vom Fahrzeuginsassen oder der Fahrzeuggeometrie verursachtes Abbremsen des Gurtbands handeln. Durch die Erfassung des Gurtbandabzugs (bzw. dessen Änderung) ergeben sich nun verschiedene Steuerungs- bzw. Regelungsmöglichkeiten. So kann bei erneutem Gurtbandabzug darauf geschlossen werden, daß sich der Insasse wieder anschnallen möchte. Bei Stillstand des Gurtbands kann es sich um ein Bremsen des Gurtbands an einer Sitzkontur handeln. In diesem Fall kann der Aufrollvorgang durch den Motor beliebig of wiederholt werden, bis die Endposition erreicht ist.
Auch im Falle einer Standardtriebfeder mit bedarfsweiser Motorunterstützung, die z.B. bei tiefen Temperaturen eingesetzt wird oder um Alterungseffekte auszugleichen, läßt sich die Information über den Gurtbandabzug nutzen. Erfaßt das Sensorelement nach dem Abschnallen keine Gurtbandbewegung (also Veränderung des Gurtbandabzugs), so wird die Motorunterstützung aktiviert, die die Steckzunge in ihre Endposition bringt.

Claims

Gurtaufroller für ein Sicherheitsgurtsystem, mit einer Gurtspule (12) und einer Gurtbandabzugsmeßeinrichtung (30), die eine Steuerscheibe (26), ein magnetisches Sensorelement (40) und ein von der Steuerscheibe (26) angetriebenes, als separates Teil ausgebildetes Magnetzahnrad (36) aufweist.
Gurtaufroller nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerscheibe (26) über ein Untersetzungsgetriebe mit der Gurtspule (12) gekoppelt ist.
Gurtaufroller nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerscheibe (26) über ein Zwischenrad (34) mit dem Magnetzahnrad (36) gekoppelt ist.
Gurtaufroller nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetzahnrad (36) aus einem kunststoffgebundenen Magnetmaterial besteht.
Gurtaufroller nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetzahnrad (36) ein Zahnrad mit darin eingebettetem Magneten (38) ist.
Gurtaufroller nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorelement (40) mit einer Auswerteelektronik (44) gekoppelt ist, die aus den vom Sensorelement (40) ausgegebenen Signalen den Gurtbandabzug ermittelt.
Gurtaufroller nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteelektronik (44) in ein vorhandenes Steuergerät integriert ist.
Gurtaufroller nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorelement (40) einen Chip (46) mit vier symmetrisch angeordneten Hall-Sensoren (48) aufweist.
Gurtaufroller nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerscheibe (26) Teil eines Kindersicherungssystems ist.
Verfahren zur Bestimmung des Gurtbandabzugs in einem Gurtaufroller (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: die Winkellage des Magnetzahnrads (36) relativ zum Sensorelement (40) wird durch Erfassung geeigneter Signale bestimmt, und der Gurtbandabzug wird durch eine Auswerteelektronik (44) anhand der Winkellage ermittelt.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorelement (40) zusätzlich Diagnosesignale ausgibt, die zur Ermittlung und Plausibilisierung des Gurtbandabzugs herangezogen werden.