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Die Erfindung betrifft eine Kraftbegrenzungseinrichtung für ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 und einem Gurtaufroller mit einer Kraftbegrenzungseinrichtung.
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Aus der
WO 2006/108 451 A1 ist z. B. eine geschwindigkeitsgeregelte Kraftbegrenzungseinrichtung für einen Gurtaufroller bekannt, welche mehrere an dem Rahmen des Gurtaufrollers angeordnete, in Schwingung zu versetzende Massen aufweist. Die Massen sind drehbar an dem Aufrollerrahmen gelagert und greifen während des kraftbegrenzten Gurtbandauszugs wechselweise mit zwei Zähnen in einen mit der Gurtwelle verbundenen Verzahnungsring ein. Insgesamt ist der Gurtaufroller aufgrund der an dem Aufrollerrahmen angeordneten schwingenden Massen aufwendig in der Herstellung und teuer. Ferner benötigt der Gurtaufroller aufgrund der schwingenden Massen einen verhältnismäßig großen Bauraum.
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In der deutschen Patentanmeldung
DE 10 2008 049 931 A1 wird eine weiter entwickelte, auf der Grundlage desselben physikalischen Prinzips arbeitende Kraftbegrenzungseinrichtung beschrieben, bei der zwei Teile mit den Verzahnungen kraftbegrenzt zueinander bewegt werden und eines der Teile dabei eine wellenförmige Vorschubbewegung ausführt, bei der die Verzahnungen wechselnd in Eingriff und außer Eingriff gelangen. Durch das die wellenförmige Vorschubbewegung ausführende Teil werden die schwingenden Massen ersetzt, so dass die dort beschriebene Kraftbegrenzungseinrichtung einen wesentlich kleineren Bauraum benötigt und einen wesentlich einfacheren Aufbau aufweist. In einem Ausführungsbeispiel ist das die wellenförmige Vorschubbewegung ausführende Teil durch eine Verzahnungsscheibe verwirklicht, die kraftschlüssig mit der Gurtwelle verbunden ist.
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Das Niveau der Kraftbegrenzungseinrichtung ergibt sich durch die abzubauende kinetische Energie des Insassen während der Vorwärtsverlagerung automatisch, wobei die Grundcharakteristik durch die Parameter der Verzahnungsscheibe, wie z. B. die Anzahl der Zähne, den Zahnabstand oder die Masse der Verzahnungsscheibe, fest vorgegeben ist.
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Ein Nachteil dieser Kraftbegrenzungseinrichtungen ist, dass die Grundcharakteristik des Kraftbegrenzungsverlaufs der fertigen Kraftbegrenzungseinrichtung aufgrund der nicht mehr zu verändernden Parameter einmalig festgelegt ist. In bestimmten Anwendungsfällen kann es jedoch erforderlich sein, die Grundcharakteristik des Kraftbegrenzungsverlaufs der Kraftbegrenzungseinrichtung nachträglich noch an das Kraftfahrzeug individuell anzupassen. Da dies mit einer gattungsgemäßen Kraftbegrenzungseinrichtung nicht möglich ist, muss die Kraftbegrenzungseinrichtung bereits bei der Auslegung individuell entsprechend der fahrzeugspezifischen Anforderungen angepasst werden. Ferner ist eine Feinabstimmung der Grundcharakteristik des Kraftbegrenzungsverlaufs an den zurückzuhaltenden Insassentyp und die Unfallsituation nicht möglich.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine gattungsgemäße Kraftbegrenzungseinrichtung zu schaffen, bei der die Grundcharakteristik des Kraftbegrenzungsverlaufs mit möglichst einfachen Mitteln auch nachträglich noch verändert werden kann.
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Zur Lösung der Aufgabe wird erfindungsgemäß eine Kraftbegrenzungseinrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 1 vorgeschlagen. Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind den Unteransprüchen den Figuren und der zugehörigen Beschreibung zu entnehmen.
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Gemäß dem Grundgedanken der Erfindung wird vorgeschlagen, dass an der Kraftbegrenzungseinrichtung eine Einrichtung zur Veränderung der Eingriffstiefe der Verzahnungen vorgesehen ist. Durch die Veränderung der Eingriffstiefe der Verzahnungen kann das Maß der Überlappung der Verzahnungen während des Eingriffs verändert werden, durch welches die in der Kraftbegrenzungseinrichtung vernichtete Energie und damit auch das Kraftbegrenzungsniveau mit bestimmt wird. Ferner kann dadurch der Querbewegungsanteil der wellenförmigen Vorschubbewegung verändert werden, welcher einen entscheidenden Anteil der Vorschubbewegung bildet. Durch diesen veränderten Querbewegungsanteil kann die Vorschubbewegung und damit die Gurtauszugsgeschwindigkeit während der Aktivierung der Kraftbegrenzungseinrichtung verändert werden, und zwar derart, dass die Gurtauszugsgeschwindigkeit bei einer Vergrößerung der Eingriffstiefe sinkt und bei einer Verringerung der Eingriffstiefe steigt. Die Kraftbegrenzungseinrichtung kann dadurch auch nach dem Zusammenbau derart an das individuelle Kraftfahrzeug bzw. den individuellen Einbauort angepasst werden, dass die Kraftbegrenzungscharakteristik einer für den Einbauort oder das Kraftfahrzeug optimalen oder vorgegebenen Kraftbegrenzungscharakteristik entspricht. Die Kraftbegrenzungseinrichtung kann dadurch zunächst einheitlich in großen Stückzahlen produziert werden und erst nachträglich auf die individuelle Verwendung angepasst werden.
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Aus Versuchen hat sich dabei herausgestellt, dass sich eine besonders wirkungsvolle Veränderung der Kraftbegrenzungscharakteristik erzielen lässt, wenn die Eingriffstiefe im Bereich der 0,2- bis 0,7-fachen Verzahnungstiefe der Verzahnungen veränderbar ist.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass die Einrichtung dazu eingerichtet ist, die Eingriffstiefe der Verzahnungen während der Aktivierung der Kraftbegrenzungseinrichtung zu verändern. Durch die vorgeschlagene Ausbildung der Kraftbegrenzungseinrichtung kann die Kraftbegrenzungscharakteristik auch während der Aktivierung verändert werden, so dass insbesondere nichtlineare Kraftbegrenzungsverläufe verwirklicht werden können. Dies kann z. B. bei Kraftbegrenzungseinrichtungen in Gurtaufrollern erforderlich sein, wenn progressive oder degressive Kraftbegrenzungsverläufe verwirklicht werden sollen, bei denen das Kraftbegrenzungsniveau sprunghaft ansteigen oder abfallen soll.
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Weiter wird vorgeschlagen, dass die Einrichtung einen extern ansteuerbaren Aktuator umfasst. Durch den extern ansteuerbaren Aktuator kann die Kraftbegrenzungscharakteristik aktiv, d. h. auch situationsabhängig, verändert werden.
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Weiter wird vorgeschlagen, dass der Aktuator von einem Fahrerassistenzsystem ansteuerbar ist. Unter Fahrerassistenzsystemen werden Systeme verstanden, die aus Signalen der Fahrdynamik sowie die Fahrzeugumgebung betreffenden Parametern, wie z. B. die Abstände zu vorausfahrenden Fahrzeugen oder sonstigen Hindernissen, kritische Zustände ermitteln, wodurch frühzeitig Maßnahmen zur Vergrößerung der Insassensicherheit ergriffen werden können. Da diese Signale frühzeitig vor dem Eintreten der eigentlichen Unfallsituation zur Verfügung stehen, kann die Kraftbegrenzungseinrichtung dadurch bereits vor dem Unfall jeweils soweit in der Kraftbegrenzungscharakteristik angepasst werden, dass diese eine für einen möglichen nachfolgenden Unfall ideale Kraftbegrenzungscharakteristik aufweist.
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Eine besonders schnelle Ansteuerung bei sehr großen Verstellkräften kann z. B. dadurch erzielt werden, indem der Aktuator durch ein Piezoelement oder einen Piezostapel gebildet ist. Piezostapel, oder auch „Piezostack” genannt, bieten sich dabei bevorzugt insofern an, da durch die Verwendung von einer Vielzahl aufeinander angeordneter Piezoelemente in Form eines Piezostapels der Verstellweg und auch die Verstellkraft vergrößert werden kann.
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Weiter wird vorgeschlagen, dass die Einrichtung ein Betätigungsteil umfasst, welches an einem der Teile über eine Rampenkontur anliegt und dazu eingerichtet ist, zur Veränderung der Eingriffstiefe der Verzahnungen eine Relativbewegung zu dem Teil auszuführen. Durch die Rampenkontur können die Verstellbewegung und die Betätigungsrichtung des Betätigungsteils unterschiedlich gerichtet sein, so dass beide Richtungen jeweils für die Handhabung und die Kräftewirkung ideal ausgelegt werden können. Ferner kann durch die Rampenkontur eine Art Übersetzung geschaffen werden, mittels derer z. B. eine geringe Betätigungskraft bei einem großen Betätigungsweg in eine große Verstellkraft bei einem kleinen Verstellweg des mit der Verzahnung versehenen Teils umgewandelt wird.
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Ferner wird zur Lösung der Aufgabe ein Gurtaufroller mit einer Kraftbegrenzungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zur Ermöglichung eines kraftbegrenzten Gurtbandauszugs mit
- – einer in einem Aufrollerrahmen drehbar gelagerten Gurtwelle, und
- – einer Blockiervorrichtung zum Blockieren der Gurtwelle bei Überschreiten eines vorgegebenen Wertes der Gurtbandauszugsbeschleunigung und/oder der Fahrzeugverzögerung gegenüber dem Aufrollerrahmen in Gurtauszugsrichtung vorgeschlagen, wobei
- – die Kraftbegrenzungseinrichtung während der Aktivierung bei blockierter Gurtwelle mit einem Teil an dem Aufrollerrahmen festgelegt ist, und mit dem anderen Teil mit der Gurtwelle verbunden ist. Der vorgeschlagene Gurtaufroller kann durch die darin angeordnete erfindungsgemäß ausgebildete Kraftbegrenzungseinrichtung mit einer für den Insassen optimalen Rückhaltecharakteristik versehen werden, wobei die Kraftbegrenzungseinrichtung durch die vorgeschlagene Zuordnung der Teile unmittelbar beim Blockieren der Gurtwelle zur Wirkung gelangt. Ferner kann durch die vorgeschlagene Zuordnung der Teile ein Gurtaufroller mit einem sehr geringen Bauraumbedarf bereitgestellt werden.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass sich die Einrichtung an dem Aufrollerrahmen abstützt. Durch das Abstützen der Einrichtung an dem Aufrollerrahmen können die bei einer Betätigung der Einrichtung entstehenden Reaktionskräfte auf konstruktiv einfache Weise über den Aufrollerrahmen in die Fahrzeugstruktur eingeleitet werden. Ferner kann der Gurtaufroller dadurch als vormontierte Baueinheit beim Fahrzeughersteller angeliefert und an dem Kraftfahrzeug montiert werden.
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Weiter wird vorgeschlagen, dass das die wellenförmige Vorschubbewegung ausführende Teil durch eine ringförmige Verzahnungsscheibe gebildet ist, welche während der kraftbegrenzten Gurtbandauszugsbewegung eine rotatorische Vorschubbewegung ausführt und das Betätigungsteil durch einen rotatorisch verstellbaren Ring gebildet ist, welcher über die Rampenkontur an der ringförmigen Verzahnungsscheibe anliegt. Durch die vorgeschlagene Ausbildung der Kraftbegrenzungseinrichtung und die dazu passende Ausbildung des Betätigungsteiles als rotatorisch verstellbarer Ring, welcher über die Rampenkontur an der Verzahnungsscheibe anliegt, kann die für den Gurtaufroller optimierte Kraftbegrenzungseinrichtung besonders einfach betätigt werden. Das Betätigungsteil überträgt die Verstellkraft dabei über den gesamten Umfang und gleichmäßig auf den Verzahnungsring, so dass dieser dabei nicht verkanten kann oder durch eine punktuelle Belastung beschädigt werden kann.
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Der verstellbare Ring ist dabei bevorzugt derart angeordnet, dass er sich während der Verstellbewegung zur Aufnahme der Reaktionskräfte an dem Aufrollerrahmen abstützt.
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Eine besonders gleichmäßige Verstellbewegung mit einer geringstmöglichen Belastung der zusammenwirkenden Teile kann in diesem Fall dadurch erzielt werden, indem an der Verzahnungsscheibe eine zu der Rampenkontur des verstellbaren Ringes entgegen gerichtete zweite Rampenkontur vorgesehen ist, an der der verstellbare Ring mit der Rampenkontur anliegt.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren erläutert. Dabei zeigt:
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1: Gurtaufroller mit einer Kraftbegrenzungseinrichtung;
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2: Aufrollerrahmen mit einer ringförmigen Verzahnungsscheibe;
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3: Aufrollerrahmen mit einem ringförmigen Betätigungselement;
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4: Betätigungselement und Verzahnungsscheibe;
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5: Ausschnitt eines Gurtaufrollers mit einer Kraftbegrenzungseinrichtung in Schnittdarstellung vor der Betätigung des Betätigungselementes;
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6: Ausschnitt eines Gurtaufrollers mit einer Kraftbegrenzungseinrichtung in Schnittdarstellung nach der Betätigung des Betätigungselementes;
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7: Ausschnitt eines Gurtaufrollers mit einer Kraftbegrenzungseinrichtung vor der Betätigung des Betätigungselementes in Schrägansicht;
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8: Ausschnitt eines Gurtaufrollers mit einer Kraftbegrenzungseinrichtung nach der Betätigung des Betätigungselementes in Schrägansicht; und
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9: Vergrößerter Ausschnitt der ineinander greifenden Verzahnungen.
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In der 1 ist ein Gurtaufroller 1 mit einer in einem Aufrollerrahmen 3 drehbar gelagerten Gurtwelle 2 zu erkennen. An dem Aufrollerrahmen 3 ist ferner eine ringförmige Kraftbegrenzungseinrichtung 4 vorgesehen, durch die die Gurtwelle 2 zentrisch hindurch ragt. Die Kraftbegrenzungseinrichtung 4 weist eine Einrichtung für eine nachfolgend noch beschriebene Veränderung der Kraftbegrenzungscharakteristik auf, welche ein Betätigungsteil 6 mit einem radial abragenden Betätigungsabschnitt 8 und einen über eine Verstellstange 17 an den Betätigungsabschnitt 8 angekoppelten Aktuator 16 umfasst. Der Aktuator 16 ist fest an dem Aufrollerrahmen 3 befestigt und umfasst einen extern ansteuerbaren Piezostapel. Statt des Piezostapels kann der Aktuator 16 aber auch einen pyrotechnischen Treibsatz, eine Druckmittelquelle oder eine elektromechanische Verstelleinheit umfassen, wobei der Piezostapel insofern von besonderem Vorteil ist, da er besonders gut ansteuerbar ist, d. h. es können sehr genaue Verstellwege bei gleichzeitig großen Verstellkräften realisiert werden.
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In der 2 ist der Aufrollerrahmen 3 mit dem Betätigungsteil 6 und einem Teil 5 in Form einer ringförmigen Verzahnungsscheibe mit einer axial gerichteten Verzahnung 10 zu erkennen.
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In der 3 ist derselbe Aufrollerrahmen 3 zu erkennen, bei dem das Teil 5 entfernt wurde. In der 4 sind das Teil 5 und das Betätigungsteil 6 als Einzelteile dargestellt. An dem Teil 5 und an dem Betätigungsteil 6 sind an den Axialseiten jeweils eine Vielzahl von ringförmig angeordneten Rampen 7 und 9 vorgesehen, welche jeweils eine Rampenkontur bilden, mit der das Teil 5 und das Betätigungsteil 6 aneinander anliegen. Die Rampen 9 an dem Teil 5 und die Rampen 7 an dem Betätigungsteil 6 weisen jeweils eine identische Steigung auf und sind entgegen gesetzt gerichtet, so dass sie in der Anlage des Teils 5 an dem Betätigungsteil 6 eine parallele Ausrichtung des Teils 5 zu dem Betätigungsteil 6 ermöglichen.
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In den 5 und 6 ist jeweils eine Schnittdarstellung in einer Schnittebene durch die Kraftbegrenzungseinrichtung mit zwei verschiedenen Stellungen des Teils 5 zu erkennen.
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Die Gurtwelle 2 ragt durch eine Öffnung in einem der Schenkel des U-förmigen Aufrollerrahmens 3, in die die Kraftbegrenzungseinrichtung 4 mit einem ringzylindrischen Verzahnungsring 12 hinein ragt und die Gurtwelle 2 konzentrisch umfasst. Der Verzahnungsring 12 ist radial innen mit einer Verzahnung 13 versehen, in der die Gurtwelle 2 mittels einer Blockiereinrichtung, gebildet durch eine an der Gurtwelle gelagerte Blockierklinke, in Gurtauszugsrichtung blockierbar ist. Auf dem Verzahnungsring 12 ist an der Radialaußenseite ein Vielzahnprofil 14 vorgesehen, auf dem ein Teil 11 in Form einer Schwingscheibe in Axialrichtung verschiebbar geführt ist und gleichzeitig in Umfangsrichtung formschlüssig verbunden ist. An dem Teil 11 ist eine ringförmige axial gerichtete Verzahnung 18 mit radial gerichteten Zahnflanken vorgesehen, welche an der dem Teil 5 zugewandten Seite des Teils 11 angeordnet ist.
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Ferner ist an dem Aufrollerrahmen 3 das ringförmige Betätigungsteil 6 mit den axial gerichteten Rampen 7 angeordnet, an dem das Teil 5 mit den Rampen 9 anliegt. Das Teil 5 ist als Verzahnungsring mit einer axial gerichteten Verzahnung 10 ausgebildet und parallel zu dem Teil 11 ausgerichtet. Die Teile 5 und 11 befinden sich dabei vor der Aktivierung der Kraftbegrenzungseinrichtung in einer derartigen Stellung zueinander, dass die Verzahnungen 10 und 18 ineinander greifen.
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Die gesamte Kraftbegrenzungseinrichtung 4 ist mit einem Gehäuse 15 abgedeckt, welches mit beabstandeten Fingern 26 in Öffnungen 25 an dem Aufrollerrahmen 3 eingreift, deren Abmessungen in Umfangsrichtung der Breite der Finger 26 entsprechen. Das Gehäuse ist dadurch drehfest an dem Aufrollerrahmen 3 festgelegt. Außerdem sind an den Enden der Finger 26 Öffnungen 22 vorgesehen, in die eine Systemkappe 24 mit radial gerichteten Fortsätzen 23 eingreift, so dass das Gehäuse 15 gemeinsam mit der Systemkappe 24 in Abzugsrichtung an dem Aufrollerrahmen 3 gesichert ist. Das Betätigungsteil 6 ist ebenfalls mit Öffnungen 27 versehen, durch die die Finger 26 hindurchgeführt sind, welche aber eine größere Breite als die Finger 26 aufweisen, so dass das Betätigungsteil 6 geringfügig verdreht werden kann. Das Teil 5 weist radial nach außen gerichtete Fortsätze 20 auf, zwischen denen Ausnehmungen 21 gebildet sind. Die Fortsätze 20 weisen eine Breite auf, welche identisch mit der Weite der zwischen den Fingern 26 gebildeten Freiräume ist, so dass die Fortsätze 20 in die Freiräume zwischen den Fingern 26 hineinragen und dabei in Umfangsrichtung formschlüssig an den Fingern 26 anliegen. Das Teil 5 ist dadurch an dem Gehäuse 15 und gegenüber dem Betätigungsteil 6 drehfest festgelegt.
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Bei einer Aktivierung der Kraftbegrenzungseinrichtung 4 durch eine Blockierung der Gurtwelle 2 in den Verzahnungsring 12 und Übersteigen einer durch die Auslegung der Kraftbegrenzungseinrichtung vorgegebenen Kraftschwelle werden der Verzahnungsring 12 und das Teil 11 durch die Drehbewegung der Gurtwelle 2 in Gurtauszugsrichtung angetrieben. Da die Verzahnungen 10 und 18 zu Beginn der Aktivierung der Kraftbegrenzungseinrichtung 4 ineinander greifen, wird das Teil 11 neben der rotatorischen Vorschubbewegung V durch das aneinander Abgleiten der Zahnflanken, wie in der 9 zu erkennen ist, zu einer quer zu der Vorschubbewegung V gerichteten Wellenbewegung Q angetrieben, während der das Teil 11 periodisch abgebremst und beschleunigt wird. Dieses periodische Abbremsen und Beschleunigen des Teils 11 ist die physikalische Ursache für die der geschwindigkeitsgeregelten Kraftbegrenzungseinrichtung 4 zugrunde liegende Energievernichtung.
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Ein wesentlicher Parameter für das Maß der Energievernichtung und damit für das momentane Kraftbegrenzungsniveau ist die durch das Abgleiten der Zahnflanken erzwungene quer gerichtete Wellenbewegung Q, welche unmittelbar durch die maximale Eingriffstiefe T der Verzahnungen 10 und 18 bestimmt wird.
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Diese Eingriffstiefe T kann aufgrund der erfindungsgemäßen Lösung verändert werden, indem der Aktuator 16 bei einer Ansteuerung das Betätigungsteil 6 über die Verstellstange 17 und den Betätigungsabschnitt 8 verdreht. Durch die Verdrehung des Betätigungsteiles 6 in Pfeilrichtung A aus der in der 7 gezeigten Stellung in die in 8 gezeigte Stellung wird das Teil 5 aufgrund der aneinander abgleitenden Rampen 7 und 9 axial in Richtung des Teils 11 in Pfeilrichtung Z (siehe 9) verschoben, wodurch die Eingriffstiefe T der Verzahnungen erhöht wird. Bei der Eingriffstiefe T handelt es sich um ein sich während der Wellenbewegung veränderndes Maß, der, Begriff der Veränderung der Eingriffstiefe T soll daher im Sinne der Erfindung so verstanden werden, dass mit der Eingriffstiefe T immer die maximale Eingriffstiefe T während der Wellenbewegung gemeint ist.
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Die Eingriffstiefe T kann einmalig manuell vor oder nach dem Einbau im Kraftfahrzeug eingestellt werden, so dass die Kraftbegrenzungscharakteristik individuell an das Kraftfahrzeug angepasst werden kann. Alternativ kann die Eingriffstiefe T auch in Abhängigkeit zu dem jeweilig zurückzuhaltenden Insassen oder der jeweilig sensierten nachfolgenden Unfallsituation vor Beginn der Aktivierung der Kraftbegrenzungseinrichtung 4 verändert werden. Wobei sich insbesondere das Signal eines Fahrerassistenzsystems anbietet, da diese Signale frühzeitig bereits vor dem Eintreten der Unfallsituation zur Verfügung stehen.
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Ferner kann die Verstellung der Eingriffstiefe T auch während der Aktivierung der Kraftbegrenzungseinrichtung 4 erfolgen, wodurch nichtlineare Kraftbegrenzungscharakteristiken, wie z. B. progressive oder degressive Kraftbegrenzungsverläufe, verwirklicht werden können.
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Da sich das Betätigungsteil 6 rückwärtig an einem Schenkel des Aufrollerrahmens 3 abstützt, können die bei der Verstellung des Teils 5 erzeugten Reaktionskräfte großflächig in den Aufrollerrahmen 3 eingeleitet werden. Insgesamt wird der erforderliche Bauraum durch die Einrichtung nur dadurch vergrößert, indem die Kraftbegrenzungseinrichtung 4 um die Dicke des Betätigungsteils 6 vergrößert wird, und, sofern eine externe Ansteuerung vorgesehen sein soll, ein entsprechender Bauraum für den Aktuator 16 vorhanden sein muss.