DE3609839A1 - Vorrichtung zum selbsttaetigen ausloesen von insassenschutzvorrichtungen bei einem unfall - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zum selbst­ tätigen Auslösen von Insassenschutzvorrichtungen in Kraftfahrzeugen bei einem Unfall nach der Gattung des Hauptanspruchs.

Es ist bekannt, einen als seismische Masse dienenden Körper elastisch außerhalb des Massemittelpunktes auf­ zuhängen, so daß dieses Feder-Masse-System eine Reso­ nanzfrequenz besitzt, die oberhalb des Meßbereichs liegt. Die Auslenkung der Masse ist ein Maß für die auftreten­ den translatorischen Beschleunigungen. Damit läßt sich mit Hilfe einer Auswerteschaltung die Insassenschutzvor­ richtung in Kraftfahrzeugen aktivieren.

Ferner ist es bekannt, einen als seismische Masse die­ nenden Körper elastisch im Massemittelpunkt aufzuhängen, so daß dieses Feder-Masse-System eine Resonanzfrequenz besitzt, die oberhalb des Meßbereichs liegt. Die Aus­ lenkung der Masse ist ein Maß für die auftretende Win­ kelbeschleunigung.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vor­ teil, daß sie die Eigenschaften der beiden oben beschrie­ benen Aufnehmer in einer einfachen Vorrichtung miteinan­ der vereint. Beide bisher getrennt gewonnenen Meßsignale können mit einer einzigen Vorrichtung erzeugt werden. Mit Hilfe dieses Sensorsignals läßt sich nach entspre­ chender Filterung sowohl die Lage als auch die Winkel­ geschwindigkeit bestimmen. Durch Auswertung dieser Grö­ ßen kann eine Fahrsituation erkannt werden, die zum Überschlag eines Kraftfahrzeugs führt. Alle notwendi­ gen Schutzmaßnahmen, z.B. Ausfahren eines Überrollbü­ gels, lassen sich dadurch rechtzeitig auslösen. Es ist auch möglich, zusätzliche Schutzeinrichtungen zeitlich nacheinander zu aktivieren. Die Vorrichtung baut ein­ fach und robust und ist für den Serieneinbau bei Kraft­ fahrzeugen geeignet. Das Meßsignal kann einfach und genau durch berührungsfreie Abstandsmessung gewonnen werden.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen der im Hauptanspruch angegebenen Vorrichtung möglich. Insbesondere nach An­ spruch 10 ist es möglich, zusätzlich noch die Längsbe­ schleunigung zu erfassen, die z.B. bei einem Crash-Un­ fall auftritt.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeich­ nung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 einen prinzipiellen Aufbau der Vorrichtung, Fig. 2 bis 3a je eine konstruk­ tive Ausgestaltung der Vorrichtung in perspektivischer Darstellung, Fig. 4 ein Blockschaltbild der Auswerte­ schaltung zum Auslösen eines Überrollbügels und Fig. 5 ein Diagramm, das den Verlauf der Auslöseschwelle abhängig von der Winkelgeschwindigkeit und dem Kippwin­ kel des Kraftfahrzeugs aufzeigt.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Bei Auslösevorrichtungen für Insassenschutzvorrichtungen, z.B. bei Überrollbügel, ist es notwendig, den Lagewinkel des Fahrzeugs zum Scheinlot und die Winkelgeschwindig­ keit um seine Längs- und Querachse zu bestimmen. Aus Kostengründen sollen beide Meßgrößen von nur einem Auf­ nehmer geliefert werden und durch eine elektronische Schaltung wieder getrennt werden.

In Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines sol­ chen Aufnehmers gezeigt. Er besteht aus einem als seis­ mische Masse 10 dienenden Körper, der außerhalb des Mas­ semittelpunktes 11 elastisch in der Verankerung 12 ver­ ankert ist. Die Masse 10 und die Verankerung 12 sind da­ bei so gewählt, daß das Drehmoment durch das Massen­ trägheitsmoment der Masse bezüglich der Verankerung, in Verbindung mit der maximal zu messenden Winkelbeschleu­ nigung die gleiche Größenordnung besitzt, wie das Dreh­ moment bei einer Lageänderung von 90°, das durch den außerhalb der Verankerung 12 befindlichen Masseanteil verursacht wird. Die seismische Masse 10 verursacht sowohl bei Winkelbeschleunigung als auch bei einer ab­ weichenden Lage zum Scheinlot ein Drehmoment in der Verankerung 12, das z.B. mit optischen oder elektri­ schen Mitteln gemessen werden kann.

Hierzu ist in Fig. 2 ein erstes Ausführungsbeispiel dargestellt. Mit 15 ist eine Vorrichtung bezeichnet, die mit Hilfe einer Grundplatte 16 in Kraftfahrzeuge einbau­ bar ist. Auf der Grundplatte 16 sind die Füße 17, 18 ei­ ner Aufhängung angeordnet, in denen ein Torsionsstab 19 befestigt ist. Am Torsionsstab 19 ist in einer Richtung senkrecht zur Achse des Torsionsstabs 19 eine Scheibe 20 aufgehängt, die als seismische Masse für die Vorrichtung 15 dient. Statt einer Scheibe kann auch ein beliebig an­ ders geformter Massekörper , z.B. ein Balken, aufgehängt sein. Es ist aber dann darauf zu achten, daß der Masse­ körper exzentrisch gelagert ist. Am Außenumfang der Schei­ be 20 ist ein Fortsatz 21 ausgebildet, der als Zusatzmasse die Massen-Exzentrizität der Scheibe 20 bewirkt. Ferner hat der Fortsatz 21 eine Meßfläche 22, der ein ortsfest auf der Grundplatte 16 angeordneter Abstandssensors 23 zugeordnet ist. Als Abstandssensor 23 können alle bekannten Sensorarten zur berührungsfreien Abstandsmessung eingesetzt werden, also z.B. kapazitive, induktive, magnetische, opti­ sche oder über Wirbelstrom messende Systeme. Der Abstands­ sensor 23 wird dabei so auf der Grundplatte 16 positioniert, daß er auch die kleinen Drehbewegungen der Scheibe 20 mög­ lichst genau erfassen kann. Selbstverständlich ist es auch möglich, den Massekörper über Spiral- oder Blattfe­ dern federnd aufzuhängen.

Wirken bei einem Unfall Beschleunigungskräfte auf die Scheibe 20 der Vorrichtung 15 ein, so wird die Scheibe 20 aus ihrer Grundposition ausgelenkt. Es sind die bei­ den Fälle einer langsamen Verdrehung und einer beschleu­ nigten Verdrehung zu unterscheiden. Bei einer langsamen Verdrehung der Scheibe 20 um die Achse des Torsionsstabs 16 führt ihre Gewichtskraft zusammen mit der ihr aber entgegenwirkenden Torsionskraft zu einer Abstandsverän­ derung zwischen der Meßfläche 22 und dem Abstandssensor 23. Diese Auslenkung dient nun als Maß für die Winkellage gegenüber der Horizontalen, wodurch die Lage des Kraftfahr­ zeugs bestimmbar ist.

Wird die Vorrichtung 16 und insbesondere die Scheibe 20 mit dem Fortsatz 21 beschleunigend verdreht, so führt die Trägheit der Masse der Scheibe 20 und die Masse des Fort­ satzes 21 ebenfalls zu einer Veränderung des Abstands zwischen der Meßfläche 22 und dem Abstandssensor 23. Über die Abstandsmessung ist ein Meßsignal für die auftretende Winkelbeschleunigung und daraus der Rotationsgeschwindig­ keit des Kraftfahrzeugs erzielbar. Das gewonnene Meßsi­ gnal der Winkeländerung ϕ wird in einer angeschlossenen elektronischen Auswerteschaltung in den entsprechenden Geschwindigkeits-ϕ bzw. Beschleunigungswert differen­ ziert. Die Weiterverarbeitung des gewonnenen Meßsignals ist mit Hilfe einer elektronischen Auswerteschaltung mög­ lich, die in Fig. 4 näher dargestellt ist.

Es ist selbstverständlich auch denkbar, die seismische Masse innerhalb der Körperform ungleichmäßig zu verteilen, um so eine exzentrische Lagerung der Masse bzw. des Kör­ pers zu erreichen. Wichtig ist es aber bei allen unter­ schiedlichen Formen der seismischen Masse, daß die Meß­ fläche und der Abstandssensor einander genau zuzuordnen sind und bereits kleinste Veränderungen möglichst feh­ lerfrei erfaßt werden.

Besonders vorteilhaft ist es - wie in Fig. 2a dargestellt - am Fortsatz 21 diametral gegenüberliegend eine zweite Meß­ fläche 22 a auszubilden und einen zweiten Abstandssensor 23 a anzuordnen. Mit Hilfe einer sogenannten Halbbrückenschal­ tung kann das Meßsignal damit verdoppelt werden. Während der Messung auftretende Störsignale oder Driften des Meß­ wertes, z.B. durch Temperaturschwankungen, können eben­ falls unterdrückt werden.

Mit Hilfe der oben beschriebenen Vorrichtung ist es mög­ lich, die Lageänderung bzw. die Winkelbeschleunigung nur bezüglich einer Achse des Kraftfahrzeugs zu bestimmen. Ordnet man eine zweite Vorrichtung senkrecht zur ersten an, so können beide Werte auch bezüglich beider Achsen gemessen werden. Beide Vorrichtungen können dabei an die gleiche Auswerteschaltung angeschlossen sein.

Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 kann zusätzlich zur Lage und zur Rotationsbeschleunigung auch noch die Längs­ beschleunigung mit einer einzigen Vorrichtung gemessen werden. Solche Längsbeschleunigungen treten z.B. bei ei­ nem Crash-Unfall auf. Wie im Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ist eine seismische Masse, hier ein Balken 26, ex­ zentrisch federnd an einem Torsionsstab 27 aufgehängt. Der Balken 26 weist eine unter einem bestimmten Winkel zur Achse des Torsionsstabs, z.B. 45°, angeordnete Meß­ fläche 28 auf, der ein ortsfest auf einer Grundplatte 29 befestigter Abstandssensor 30 zugeordnet ist.

Die Füße 31, 32 der Vorrichtung sind im Gegensatz zum Aus­ führungsbeispiel nach Fig. 2 in Richtung der Achse des Torsionsstabs 27 elastisch federnd ausgebildet. Die Achse des Torsionsstabs 27 ist dabei in Richtung der Fahrzeug­ längsachse ausgerichtet. Bei Auftreten einer Beschleuni­ gung bzw. Verzögerung in dieser Richtung werden die Füße 31, 32 um einen Betrag "a" ausgelenkt, was auch zu einer proportionalen Abstandsänderung zwischen der Meßfläche 28 und dem Abstandssensor 30 führt. Da sich bekanntlich ein Crash-Vorgang im zeitlichen Verlauf anders verhält als ein Überrollvorgang, kann er durch geeignete Maßnahmen mit Hilfe einer elektronischen Auswerteschaltung erkannt werden. Es ist aber auch möglich, die Meßsignale für den Crash-Vorgang und für den Überrollvorgang getrennt von­ einander mit Hilfe des Ausführungsbeispiels nach Fig. 3 zu gewinnen. Dazu ist in Fig. 3a eine zweite Meßfläche 28 a senkrecht zur Achse des Torsionsstabs 27 ausgebildet. Jeder der beiden Meßflächen 28, 28 a ist dann ein eigener Abstandssensor 30, 30 a zugeordnet. Die oben beschriebene schräg ausgebildete Meßfläche braucht dann nicht mehr vorhanden zu sein. Es ist nämlich möglich, die Meßflächen jeweils in Bewegungsrichtung, also in Richtung der Achse des Torsionsstabs, und senkrecht zur Achse des Torsions­ stabs, auszubilden.

Wie auch beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 2a können durch diametral gegenüberliegende Meßflächen und einem jeweils zugeordneten Abstandssensor Meßfehler oder Drif­ ten kompensiert werden bzw. der Meßwert über eine soge­ nannte Halbbrückenschaltung verdoppelt werden.

In Fig. 4 ist ein Blockschaltbild dargestellt, in dem mit 35 der oben beschriebene Aufnehmer bezeichnet ist. Dessen Ausgangssignal, das einer Überlagerung von Lage und Winkelbeschleunigung entspricht, wird in die beiden Größen Winkelbeschleunigung und Lage aufgetrennt bzw. gefiltert, so daß die Fahrsituation bewertet werden kann.

Diese Filterung des Meßsignals soll an zwei Grenzfällen beschrieben werden. Überschlägt sich das Fahrzeug (Rota­ tion) schnell, so ist die Rotationsgeschwindigkeit, d.h. die Winkelgeschwindigkeit des Kraftfahrzeugs, das wesent­ liche Kriterium zum Auslösen der Sicherheitsvorrichtung. Das Fahrzeug besitzt dabei eine hohe Rotationsenergie. Die schnelle Rotation des Kraftfahrzeugs wird durch eine relativ hochfrequente Winkelbeschleunigung hervorgerufen. Dies bedeutet, daß nur der hochfrequente Anteil des Meß­ signals ausgewertet werden muß. Dazu wird das Meßsignal einem Hochpaßfilter 36 zugeleitet, der vom Meßsignal den hochfrequenten Anteil durchläßt und den niederfrequenten Anteil herausfiltert. Anschließend wird der hochfrequente Anteil in einem Verstärker 37 verstärkt und in einem In­ tegrator 38 integriert. Die so gewonnene Winkelgeschwin­ digkeit löst bei Überschreiten einer vorgegebenen Schwel­ le die Sicherheitsvorrichtungen aus.

Der zweite Grenzfall ist ein langsames Überschlagen des Kraftfahrzeugs, z.B. wenn das Kraftfahrzeug entlang ei­ ner Böschung fährt und bei einem kritischen Neigungs­ winkel kippt. Jetzt ist die Winkelbeschleunigung ge­ ring. Das wesentliche Auslösekriterium ist nun die Lage zum Scheinlot. Das durch diese Lageänderung hervorgeru­ fene Meßsignal ist relativ niederfrequent. Dies bedeu­ tet, daß bei langsamer Rotation der niederfrequente An­ teil des Meßsignals ausgewertet werden muß. Dazu wird das vom Sensor 35 gewonnene Meßsignal einem Tiefpaßfil­ ter 40 zugeführt. Das so gewonnene Meßsignal wird ei­ nem Verstärker 41 zugeführt. Bei Überschreiten einer vorgegebenen Schwelle werden wieder die Insassensicher­ heitsvorrichtungen ausgelöst.

Im praktischen Fahrbetrieb des Kraftfahrzeugs überschnei­ den sich die beiden Grenzfälle. Die oben beschriebene Auslösevorrichtung ist durch einen Fensterdiskriminator 42 zu ergänzen. Beide gefilterten Meßsignale werden ad­ diert und dem Fensterdiskriminator 42 zugeführt, der die jeweils gewünschten Sicherheitsvorrichtungen auslösen kann. In Fig. 5 ist ein Diagramm für einen Überschlag des Kraftfahrzeugs um eine seiner Achsen dargestellt. Dazu ist die Rotationsgeschwindigkeit des Fahrzeugs über dessen Neigungswinkel aufgetragen. Die beiden Grenzfälle sind hier als Schnittpunkte mit der y- bzw. x-Achse zu verstehen. Bei langsamem Überschlag des Kraftfahrzeugs werden die Insassenschutzvorrichtungen bei einer Schwel­ le von ca. 57° Neigung des Kraftfahrzeugs ausgelöst. Für einen schnellen Überschlag ist für einen ganz bestimmten Fahrzeugtyp in Fig. 5 die Schwelle bei einer Winkelge­ schwindigkeit von 2,5 1/sec. eingezeichnet. Die im Dia­ gramm eingezeichnete Verbindungskurve dieser beiden Grenzfälle gibt die kritische Schwelle 45 an, ab der die Sicherheitsvorrichtungen auslösen sollen. Hat das Kraft­ fahrzeug z.B. bereits eine Neigung von 20° erreicht, so genügt eine geringere Rotationsenergie, d.h. Winkelge­ schwindigkeit, um das Kraftfahrzeug in die kritische Lage, d.h. über die kritische Schwelle 45 zu bringen. In diesem Beispiel würden die Sicherheitsvorrichtungen bei einer gleichzeitigen Winkelgeschwindigkeit von 1,7 1/sec. auslösen.

Auch bei einem Überschlag des Kraftfahrzeugs um sei­ ne Querachse kann dieselbe Auswertevorrichtung verwendet werden. Notwendige Änderungen, die durch die Geometrie des Kraftfahrzeugs bedingt sind, können bereits bei der Wahl des Sensors berücksichtigt werden.

Claims (17)

1. Vorrichtung zum selbsttätigen Auslösen von Insassen­ schutzvorrichtungen in Kraftfahrzeugen bei einem Unfall, mit einem Sensor (35), der bei Abweichung von einer vor­ geschriebenen Fahrsituation des Kraftfahrzeugs ein Steuersignal abgibt, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (35) eine außerhalb des Massemittelpunktes (11) elastisch verankerte seismische Masse (10) aufweist, die in einer Einspannung ein Drehmoment hervorruft, so daß der Sensor (35) mindestens gleichzeitig den Lagewinkel zum Scheinlot und die Winkelbeschleunigung des Kraft­ fahrzeugs mißt, und daß das Steuersignal des Sensors (35) mit Hilfe einer elektrischen Schaltung in minde­ stens zwei Bereiche aufgespalten wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuersignal des Sensors (35) durch relative Lagemessung mit Hilfe einer berührungsfreien Abstands­ messung der seismischen Masse (10) zu einem Aufnehmer (23, 30) gewonnen wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Lageänderung der seismischen Masse (10) mit Hilfe eines optischen Verfahrens gewon­ nen wird.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Masse (10, 20) an einem Torsions­ stab (19) befestigt ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Masse (10, 20) an einer Feder aufgehängt ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Masse als Scheibe (20) ausgebil­ det ist und einen als Meßfläche (22) dienenden Fortsatz (21) aufweist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Masse (10) als Balken (26) ausge­ bildet ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Masse (10, 20) in einer Richtung beweglich gelagert ist und der Aufnehmer (23) die Bewe­ gung der Masse in dieser Richtung bestimmt.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Masse (10) in zwei senkrecht zu­ einander verlaufenden Richtungen beweglich gelagert ist und der Aufnehmer (30) die Bewegung der Masse (10, 26) in beiden Richtungen bestimmt, wodurch die Längsbeschleu­ nigung bestimmbar ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßfläche unter einem Winkel von 0 bis 90° zu einer der Bewegungsrichtungen der Masse (10, 26) angeordnet ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßfläche (28) einen Winkel von 45° zu einer der Bewegungsrichtungen aufweist und der Aufnehmer (30) senk­ recht zu der Meßfläche (28) angeordnet ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, da­ durch gekennzeichnet, daß die Masse (10, 20, 26) in je­ der der Bewegungsrichtungen eine Meßfläche aufweist, der ein eigener Aufnehmer zugeordnet ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, da­ durch gekennzeichnet, daß die Masse (10, 20, 26) je zwei diametral gegenüberliegende Meßflächen mit je einem zu­ geordneten Aufnehmer aufweist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, da­ durch gekennzeichnet, daß ein Hochpaßfilter (36) einen hochfrequenten Bereich des Steuersignals und ein Tief­ paßfilter (40) einen niederfrequenten Bereich des Steuer­ signals gewinnt.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, da­ durch gekennzeichnet, daß dem Hochpaßfilter (36) ein Integrator (38) nachgeschaltet ist und die durch die Hochpaß- (36) und Tiefpaßfilter (40) gewonnenen Be­ reiche des Steuersignals durch einen Verstärker (41) gewichtet, addiert und einem Komparator (42) zugeführt werden.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, da­ durch gekennzeichnet, daß unter Ausnützung der transla­ torischen Empfindlichkeit der seismischen Masse (10) nach Filterung des Steuersignals zusätzliche Schutzein­ richtungen, wie Airbag, Gurtstraffer, Zentralverriege­ lung und Gurtverriegelung etc. ausgelöst werden.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, da­ durch gekennzeichnet, daß mit Hilfe mehrerer Auslöse­ stufen verschiedene Schutzvorrichtungen zu unterschied­ lichen Zeitpunkten ausgelöst werden.