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Hintergrund der Erfindung
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1. Das Umfeld der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Filter, insbesondere Filterelemente,
die geeignet sind, heiße Gase
zu filtern, die beim Einsatz von Passagier-Airbags angewendet werden
und Verfahren zur Herstellung und Nutzung solcher Filter und auf
Airbags und Fahrzeuge, die solche Filter aufweisen.
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2. Stand der Technik
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Relativ
neue Bedenken betreffend die Sicherheit von Passagieren in Landfahrzeugen
haben zur Entwicklung der „Airbag" Technologie geführt, ein passives
Rückhalte-
und Schutzsystem, das einen Balg oder einen kissenförmigen Sack
aufweist, der in einer extrem kurzen Zeitspanne mittels komprimiertem
oder chemisch hergestelltem Gas aufgeblasen wird, das den Balg auffüllt. Der
aufgeblasene Balg wird in einem inneren Bereich der Passagierkabine des
Fahrzeugs angeordnet oder eingesetzt, nämlich zwischen diesem und der
Vorderseite oder der Seite des Passagiers.
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Die
erste Generation von pyrotechnischen Fahrzeug-Airbag-Insassen-Rückhaltesystemen nutzte
Azid-Zusammensetzungen (typischerweise Sodiumazid, NaN3,
vermischt mit einem Schwermetalloxid) um das Gas zu generieren,
das zum Aufblasen des Airbags benutzt wurde. Diese explosiven Gemische
verursachen ein Gas mit über
1000°F während der
Initialphase der Reaktion der Gasgenerierung. Eine große Menge
von kondensierbaren, geschmolzenem und/oder festem Teilchenmaterial
wird zusammen mit dem Gas in einem solchen reaktiven Generator hergestellt.
Ein Großteil
dieses Materials ist nicht nur extrem heiß, sondern besteht auch aus einem
beizenden Gemisch und das Teilchenmaterial, das sich mit einer hohen
Geschwindigkeit bewegt, ist für
die Unversehrtheit des Balgs und der dadurch zu schützenden
Insassen potenziell gefährlich.
Einige Airbag-Designs weisen große Ventilationslöcher in den
Balgen auf, um das Gas in den Passagierinnenraum zu ventilieren,
so dass das Gas, das zum Aufblasen dieser Bälge benutzt wird, gefiltert
werden muss, um zu verhindern, dass die Teilchen in den Passagierinnenraum
zusammen mit dem ventilierten Gas eintreten. Bei dieser Art von
Design entweicht das gesamte hergestellte Gas aus der Reaktionskammer
und wird in Richtung des Airbags geschleudert, so dass die Gase
und jegliche Teilchen unvermeidbar zumindest auf den Balg selbst
auftreffen, falls kein Filter vorgesehen ist. Falls keine Maßnahmen
getroffen werden, um die nachteiligen Effekte des Vielphasen-Reaktionsmischungsprodukts
zu verbessern, würden
die generierten Gase und Teilchen wahrscheinlich in den Balg eindringen
und in besonders schlimmen Fällen
Verletzungen bei den Passagieren hervorrufen.
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Verschiedene
Maßnahmen
wurden getroffen, um die nachteilhaften Effekte des Gases zu reduzieren,
einige dieser Maßnahmen
sind in den US-Patenten Nr. 4,902,036 und 5,318,323 diskutiert, die beide
hiermit durch Bezugnahme in die vorliegende Beschreibung aufgenommen
werden. Eine Technik zur Verminderung der nachteilhaften Effekte
war die Nutzung von Opferschichten, um das Teilchenmaterial abzubremsen
und die Nutzung von statischen, zentrifugalen oder aufprallartigen
Teilchenabscheidetechniken. Im Stand der Technik wurden auch dichtere
und/oder längere
Filtervorrichtungen verwendet. Bei diesen Lösungen besteht ein Kompromiss
im Design zwischen der Notwendigkeit, die Gase zu filtern und der
Notwendigkeit, einen Druckabfall vorzusehen, der klein genug ist,
um Probleme mit (Reduktion) der Geschwindigkeit zu vermeiden, mit
der der Airbag aufgeblasen wird. Es gibt andere Einschränkungen,
da Teilchenabscheidevorrichtungen typischerweise teuer hergestellte
Teile sind, die aus schweren Stahlplatten hergestellt werden; da diese
ungeeignet sind, um durch Prägung
hergestellt zu werden, erhöhen
sich ihre Herstellungskosten. Im Allgemeinen mussten sich Airbag-Designer
mit dem Entfernen von kondensierten, festen, giftigen Produkten
(in der Regel nicht reagierte Sodium-Azide und Sodium-Oxide, die bei der
Reaktion hergestellt wurden), mit dem Abkühlen der Gase, bevor diese die
Kissen aufbliesen und der Zur-Verfügung-Stellung eines homogenen
und gleichmäßig verteilten Gasstroms
herumschlagen, der von einer explosiven Quelle erzeugt wurde.
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Viele
Filtervorrichtungen, die heutzutage benutzt werden, beinhalten verschiedene
Lagen von metallenen Schirmen aus verschiedenen Gewebegrößen und
eine oder mehrere Lagen eines nicht-entflammbaren faserförmigen Materials,
das zwischen den Schirmen verpackt angeordnet ist. Die Effizienz dieses
Filtertyps hängt
davon ab, wie dicht das Material verpackt ist; eine dichtere Verpackung
führt zu
einer effizienteren Filterung, aber auch zu einem höheren Druckabfall.
Nach dem vorgenannten 323 Patent besteht auch ein Problem mit der
Qualitätskontrolle
in der Massenfertigung solcher zusammengesetzten Schirmmatten, mit
Rücksicht
auf die Zur-Verfügungstellung
eines einheitlichen Druckabfalls für jeden hergestellten Filtertyp.
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Darüber hinaus
besteht ein weiteres Problem bei der Gestaltung von Airbag-Filtervorrichtungen,
nämlich
dass der Druckabfall über
den Filter ansteigt, sobald der Filter verstopft. Dementsprechend verstärken sich
die mechanischen Einflüsse
auf den Filter und das Gas und die Teilchen bewegen sich durch den
Filter mit einer höheren
Geschwindigkeit, was dazu führt,
dass eine verbesserte Filterfestigkeit und -zähigkeit notwendig ist, um den
höheren
Durchflussraten, dem Druckabfall und der Teilchengeschwindigkeit
in den Filter zu widerstehen.
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Neben
den vorgenannten Patenten werden typische Filter für Airbags
aus einem komprimierten Drahtgewebe oder Stahlwolle hergestellt,
wie dies beispielsweise in dem US-Patent 3,985,076 (Metallgewebe),
EP 674,582 (gefilterte Metallfiberstruktur), US-Patent
4,017,100 (Mehrlagenstruktur aus Glasfaser, Stahlwolle und Schirme
und perforierte Platten),
DE
2,350,102 (Glaswolle),
GB
2,046,125 (Metallkugeln, die zum Teil zusammengesintert
sind, um einen starren, porösen
Körper
zu bilden) US-Patent 5,204,068 (Metallfiberfilz, der beschichtete
Fibern, wie beispielsweise Nickel aufweist, das mit Silikonkomponenten
beschichtet ist), WO 94/14608 (metallenes Drahtgewebe, das mit einer
nicht verwebten Matte von Metallfasern durch Sintern verbunden ist) und
anderen beschrieben wird, wobei die Offenbarung all dieser Dokumente
hiermit durch Bezugnahme in die vorliegende Beschreibung aufgenommen wird.
Die Mischung zur Herstellung des Gases, oftmals eine Azid (Azoimid)-Mischung
mit Kupfer, generiert heiße
Gase und Teilchen einer Kupferschlacke. Das Bestreben des Designers
ist es, die Kupferschlacke-Teilchen auszufiltern, so dass die geschmolzenen
Metalltröpfchen
nicht auf den Airbag auftreffen. Das endgültige Filterdesign wurde ein
Kompromiss aus (i) einem ausreichend dichten Filtermaterial, um die
Schlackepartikel einzufangen, (ii) der Zur-Verfügungstellung einer ausreichenden
Masse in dem Filter, um die gefilterten Schlackepartikel abzukühlen, bevor
diese durch das Gewebe oder Wolleelemente des Filters hindurch schmelzen
oder in kleinere Tröpfchen
fragmentieren, die dasselbe tun könnten, und (iii) die Beschränkungen
hinsichtlich der Dichte und des Gewichtes des Filters. Das heißt, falls
der Filter aus einem sehr feinen Drahtgewebe oder Drahtwolle besteht
um sicherzustellen, dass alle der geschmolzenen Schlackepartikeln
aufgefangen werden, dann werden die Gewebe- oder Wollefasern eine
unzureichende Masse aufweisen, um die auftreffenden Schlackepartikeln
bis zur Festigkeit herabzukühlen,
so dass die geschmolzenen Schlackepartikel durch das Gewebe oder
die Wolle hindurch schmelzen und/oder in kleinere Teilchen fragmentieren,
die möglicherweise
durch den Filter hindurch dringen und auf den Airbag auftreffen
oder durch diesen hindurch brennen, bis sie auf den Insassen auftreffen.
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Die
neue Generation von Gasgeneratoren verwendet sauberere und weniger
giftige nicht-azide gasgenerierende Mischungen (wie beispielsweise
im US-Patent 5,525,170 beschrieben, dessen Offenbarungsgehalt hiermit
in die vorliegende Beschreibung durch Bezugnahme aufgenommen wird),
die im Verhältnis
mehr Gas zur Verfügung
stellen als die azid-basierten Mischungen. Während die Notwendigkeit, das
generierte Gas zu filtern, deswegen weniger problematisch ist, existieren
Standards der Bundesregierung, die Schranken für die zulässige Menge an lösbaren und
nicht-lösbaren
Teilchen setzen, so dass nach wie vor die Not wendigkeit besteht,
das Gas zu filtern. Die Notwendigkeit, das generierte Gas abzukühlen, ist
nach wie vor ein notwendiger Schritt beim Einsatz des Airbags. Darüber hinaus
liefern diese Gasgeneratoren der neueren Generation nach wie vor
eine beträchtliche
explosive Kraft, gegen die das Filterelement stabilisiert werden
muss.
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Da
mehr kraftvolle, gasgenerierende Vorrichtungen beim Einsatz von
Airbags benutzt werden, besteht ein Bedarf für den Filter, größeren explosiven Kräften zu
widerstehen. US-Patent 6,277,166, dessen Offenbarung hiermit durch
Bezugnahme in die Beschreibung aufgenommen wird, beschreibt die Formung
eines Drahtgewebes, wobei die Form einen Teil des Gewebes in Rippen
zwängt,
die die Umfangfestigkeit des Filters erhöhen. Diese Rippen erstrecken
sich außerhalb
des Filters, erhöhen
den Durchmesser des Filters. Da die Kammer, in die der Filter eingesetzt
wird, eine bestimmte und beschränkte Größe aufweist,
insbesondere in einem Lenkrad eines Fahrzeugs, in dem der Raum limitiert
ist, muss der Hauptkörper
eines solchen Filters kleiner sein, um die Rippen aufzunehmen.
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Während des
Einsatzes des Airbags, wenn eine explosive Ladung im inneren Umfang
des Filters gezündet
wird, strömen
die Explosionsgase durch den Filter und dann durch Löcher in
einem passenden Gehäuse,
die derart verbunden sind, dass der Airbag aufgeblasen wird. Um
die Umfangsfestigkeit des Filters zu erhöhen, haben einige Airbag-Hersteller
ein perforiertes oder gestrecktes Metallband benutzt, um die Umfangfestigkeit
des Drahtgewebefilters zu verstärken.
Es bestehen Bedenken, dass der Bruch oder die Dehnung dieses Metallbands
die Löcher
in dem passenden Gehäuse
blockiert, was den Airbag effektiv in eine Bombe verwandelt, mit
ernsthaften Konsequenzen für
die Insassen des Fahrzeugs.
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Zusammenfassung
und Aufgaben der Erfindung
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Im
Licht der vorhergehende Beschreibung umfassen die Aufgaben der Erfindung
die Erhöhung der
Umfangsfestigkeit eines verknüpften
Drahtgewebefilters, während
im wesentlichen der Raum, der für den
Filter in einer bestimmten Anwendung vorgesehen ist, ausgenutzt
wird, Verbesserung der Filtercharakteristiken und Verbesserung der
Eigenschaft des Filters als Hitzesenke, ohne dass weitere signifikante Herstellungskosten
oder -schritte nötig
sind oder ohne dass die Filter- und Hitzesenke-Eigenschaften des
Filters negativ beeinflusst werden und ohne dass der Bedarf für die Nutzung
eines perforierten oder gestreckten Metallbands besteht, das versagen
könnte.
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In
einer Ausführungsform
stellt die Erfindung einen Drahtgewebefilter zur Verfügung, der
ein komprimiertes Drahtgewebe aufweist, das einen Kreisring formt
und das mindestens einen Umfangsdraht um die Außenseite des Filters herum
aufweist und der sich mit dem Drahtgewebe verbindet, beziehungsweise
verkoppelt oder verriegelt, sobald der Filter kompressionsgeformt
wird.
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In
einer anderen Ausführungsform
stellt die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines solchen
Drahtgewebefilters zur Verfügung,
indem eine verknüpfte
Drahtgeweberöhre
oder -vorkern zur Verfügung
gestellt wird, in dem mindestens ein Umfangsdraht um die Außenseite
der Röhre
und/oder des Vorkerns herum gewickelt wird, in dem die gewickelte
Röhre oder
der gewickelte Vorkern in eine Form eingesetzt wird, und in dem
die gewickelte Röhre
oder der gewickelte Vorkern in der Form komprimiert wird, um einen
komprimierten Drahtgewebering herzustellen, wobei der Umfangsdraht
mit dem Gewebe während
des Formungsprozesses verbunden, bzw. verkoppelt wird.
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Kurze Beschreibung
der Figuren
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1 ist
eine im wesentlichen plane, photographische Ansicht längs der
Achse des Kreisrings eines Filters, der gemäß der Erfindung hergestellt wurde.
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2 ist
eine Seitenansicht des Filters, der in 1 gezeigt
wurde.
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3A, 3B, 3C, 3D und 3E zeigen
Beispiele eines Presskolbens und einer Kombination aus aufnehmender
Form und entsprechendem Dorn für
diese Erfindung, sowie solche, die geeignet sind, um einen Filter
mit äußeren Rippen
herzustellen.
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4A und 4B sind
idealisierte, perspektivische und seitliche Ansichten des Vorkerns
mit dem Umfangsdraht.
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5 und 6 sind
Graphen, die die Ergebnisse von vergleichenden Tests zeigen.
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Detaillierte
Beschreibung von speziellen Ausführungsformen
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Kurz
gesagt, Draht eines speziell ausgesuchten Typs und Durchmessers
wird mit einer verknüpften
Geweberöhre
oder -vorform mit einer speziellen Breite und Dichte für die gewünschte Filteranwendung
verknüpft.
Ein Teil der Geweberöhre
wird hinsichtlich eines bestimmten Gewichts abgeschnitten, in Abhängigkeit
der Gewichts- und Filteranforderungen, der Umgebung und des Fluids,
das gefiltert werden soll. Die Geweberöhre wird dann in die gewünschte Form
des Filters kompressionsgeformt (verpresst); zur Herstellung eines
Kreisrings wird eine Form mit einer aufnehmenden Form, einem Dorn
und einem Presskolben oder eine Presse zur Herstellung eines Filters
eingesetzt, der einen Kreisring mit den gewünschten physikalischen Dimensionen,
Gewicht und Dichte aufweist.
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Die
bevorzugten Filterelemente der vorliegenden Erfindung umfassen ein
Drahtgewebe, besonders bevorzugt verknotet, und dann in eine gewünschte Geometrie
komprimiert, bevorzugt kreisringförmig, kreisförmig oder
elliptisch (oval), obwohl geradlinige Geometrien wie beispielsweise
triangulare, quadratische und oktagonale Hohlkörper ebenfalls möglich sind.
Das Gewebe wird bevorzugt durch eine herkömmliche Drahtverknüpfungsmaschine
hergestellt (wie beispielsweise ein beliebig kommerziell erhältlicher
Drahtgewebeverknüpfer,
der beispielsweise erhältlich
ist von Tritech Int., England) hergestellt; Beispiele solcher Drahtgewebe
und -verknüpfungen,
die als Dichtungen und Unterstützungsmatten
in Hochtemperaturanwendungen eingesetzt werden, können in
US-Patenten Nr. 4,683,010 und 5,449,500 gefunden werden, deren Offenbarungen durch
Bezugnahme hiermit in die vorliegende Beschreibung aufgenommen werden.
Die Drahtverknüpfungsmaschine
stellt typischerweise eine nach giebige Gewebehülse oder -röhre her und ist sehr ähnlich zu
einer herkömmlichen
Verknotungsmaschine, weist aber größere Verknotungsnadeln auf.
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Der
Draht, der zur Herstellung des Gewebes benutzt wird, kann aus einer
Vielzahl von Zusammensetzungen bestehen und ist bevorzugt ausgewählt aus
einem rostfreien Stahl, einschließlich austinitische und Nickellegierungen
wie beispielsweise, jedoch ohne Beschränkung auf, 304, 309 und 310 Graden
von rostfreiem Stahl, oder Kombinationen dieser. Die Zusammensetzung
des Drahts wird derart ausgewählt,
dass dieser chemisch kompatibel ist (soweit möglich) mit der Umgebung, in
der der Filter eingesetzt wird und mit dem Fluid (oder vermischte
Phasen), die gefiltert werden. Dementsprechend können auch andere Metalle und
sogar Polymerfasern benutzt werden, abhängig von der Umgebung und der Eigenschaften
der Materialien, die gefiltert werden, und abhängig von dem Grad zu dem diese
zu einem komprimierten Filter geformt werden können und in besonders bevorzugten
Ausführungsformen
zu einem Filter der Rippen längs
des äußeren Umfangs aufweist.
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Der
Draht, der für
das Gewebe benutzt wird, das zur Herstellung von Airbag-Filtern
verwendet wird, weist bevorzugt einen Durchmesser von etwa 0,03
Inch bis etwa 0,002 Inch auf (von etwa 0,75 mm bis etwa 0,05 mm
im Durchmesser oder von etwa 21 bis etwa 47 gauge (britischer Standard);
obwohl größere und/oder
kleinere Drähte
ebenfalls benutzt werden können).
Falls verschiedene Gewebe zusammen in einem einzigen Filter verwendet
werden, werden die Drähte
mit dem größeren Durchmesser
bevorzugt für
die innersten Filterbereiche und die Drähte mit den kleineren Durchmessern
bevorzugt für
die äußersten
Filterbereiche verwendet, wobei die Größe des Drahts in der radial
nach außen
gewandten Richtung abnimmt. Wie oben bereits mit Rücksicht auf
einen Airbag-Filter erwähnt,
setzt die explosive Ladung Teilchen eines geschmolzenen Metalls (Schlacke)
frei, die auf den Filter auftreffen. Die Verwendung eines dickeren
Gewebedrahts und/oder eines dichteren Radialinnenbereichs tendiert
dazu, die durch die korrosive Explosionsmischung hervorgerufene
Verschlechterung des Filters zu verbessern. Beispielsweise führt ein
dickerer Draht in der Nähe des
Zentrums des Filters, wo die Ladung explodiert und die Schlacke
generiert wird, die auf den Filter auftrifft (a) zu einer höheren Festigkeit
als ein dünnerer
Draht, um die explosiven Kräfte
besser zu absorbieren, und (b) hat eine größere effektive Hitzekapazität, die größere und/oder
heißere
Schlackepartikel besser tolerieren kann als ein verhältnismäßig dünnerer Draht
(beispielsweise bevor ein geschmolzenes Schlacketeilchen durch den
Draht hindurch gebrannt ist).
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Der
Draht, der für
den gesamten Filter oder für
einen der Einzelteile oder Bereiche des Filters verwendet wird,
kann rund oder flach im Querschnitt sein. Der verwendete Draht kann
auch aus einer Kombination von zwei oder mehreren unterschiedlichen
Geometrien und/oder Drahtzusammensetzungen bestehen. Verschiedene
Typen, Durchmesser, und/oder Geometrien des Drahts können in
einem einzigen Gewebe miteinander verknotet werden, um ein Gewebe
zur Verfügung
zu stellen, das eine einheitliche Mischung von unterschiedlichen
Drähten oder
eine Mischung von Drähten
aufweist, die längs der
Länge der
Geweberöhre
sich verändert.
Darüber hinaus
kann zusätzliche
Festigkeit durch Wärmebehandlung
erreicht werden, wie beispielsweise durch Glühen des Filters in einer Sauerstoff
beinhaltenden Atmosphäre
(wie beispielsweise Umgebungsluft); solch ein Glühverfahren wird in dem oben
genannten US-Patent 5,449,500 beschrieben (dessen Beschreibung hiermit
durch Inbezugnahme aufgenommen wird). Derselbe Draht kann für zwei unterschiedliche Bereiche
des Filters verwendet werden und er kann komprimiert oder derart
verdichtet werden, dass verschiedene Dichten in jedem Bereich erzielt
werden. Ebenso können
unterschiedliche Drähte
(bezüglich Geometrie
und/Zusammensetzung) verwendet werden, um unterschiedliche Filterbereiche
herzustellen, die jeweils dieselbe Dichte aufweisen. Neben einem Drahtgewebe
und einer Stahlwolle können
eine oder mehrere Bereiche des Filters andere Typen von Drahtfiltermedien
aufweisen (wie beispielsweise solche, die kommerziell erhältlich sind
von Memtec, Ltd., Australien). Solche Medien können ebenso ein verdichtetes
und/oder geglühtes
Drahtgewebe beinhalten und falls sie separat beschafft werden, können diese
auch in eine gewünschte
Form gebracht werden (beispielsweise ein Streifen, der geschnitten
und in einen kreisförmigen
Ring zusammen geschweißt wird),
bevor diese mit dem komprimierten Gewebe der vorliegenden Erfindung
integriert werden.
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Die
Dichte des Filters wird in der Regel durch den Designer der gesamten
Airbag-Vorrichtung spezifiziert. Die Dichte des Filters kann dadurch
bestimmt werden, dass das Volumen des Filters bekannt ist (oder
das Volumen, das für
den Filter zur Verfügung
steht, eine Konstruktionsbeschränkung, die
beispielsweise auf der Größe und der
Konfiguration des Lenkrads basiert) und die spezifische Dichte des
Drahts (rostfreier Stahl hat in der Regel eine Dichte von etwa 0,29
lb./in3 (in etwa 8,03 g/cc)). Demnach kann
das Gewicht des Gewebes für
einen bestimmten Bereich des Filters, der eine spezifizierte Dichte
aufweist, und in wessen Bereich das Gewebe volumenmäßig passen
muß, aus
der Dichte berechnet werden.
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Bevorzugt
wird das endgültige
Filterteil durch eine Serie von Kompressionen hergestellt, indem
mit der verknüpften
Drahtröhre
begonnen wird. Wie bereits bemerkt wurde, ist die Dichte des endgültigen Filters
ein Design-Parameter der Airbag-Vorrichtung. Wenn
es gewünscht
wird, einen Filter herzustellen, der eine im wesentlichen gleichförmige Dichte
aufweist, wird der Filter bevorzugt in einer Serie von Kompressionen
hergestellt. Bei der ersten Kompression wird die vorbestimmte, gewünschte Menge
an verknüpfter
Drahtröhre
in einen Kreisring gepresst, indem eine zylindrische aufnehmende
Form mit einem Dorn benutzt wird (um die äußeren und inneren Durchmesser
des Kreisrings herzustellen) und ein Presskolben, mit der Geometrie
einer Hülse,
um die verknüpfte
Röhre in
den Raum zwischen dem Dorn und der aufnehmenden Form zu pressen.
In der Form kann dieser Zwischenartikel, ein Vorkern oder eine Vorform,
unter Bezugnahme auf ein „Basis"-Ende am Boden der
Form und ein „Arbeits"-Ende, das durch
den Presskolben kontaktiert wird, definiert werden. Typischerweise
werden beispielsweise 14 Inches einer verknüpften Drahtröhre zu einem
3 ¼ bis 4
Inch hohen Kreisring komprimiert (längs der Achse des Kreisrings
gemessen).
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Zur
Reduzierung der Kompression und entsprechend einer uneinheitlichen
Dichte, die leicht entsteht, wird das Arbeits-Ende des Vorkerns
zuvorderst in die Form eingeführt,
so dass dieses Ende zum Basis-Ende im nächsten Verfahrensschritt wird; das
heißt,
der Zwischenartikel wird umgedreht, so dass dieser von dem gegenüberliegenden
Ende her komprimiert wird, gegenüber
der ursprünglichen Richtung.
Bei diesem nächsten
Schritt wird der 3 ½ bis
4 Inch lange Vorkern zu einem Kreisring mit etwa 1 bis 2 Inch in
Länge komprimiert
(erneut längs
der Achse des Kreisrings gemessen). Um diesen zweiten Kompressions- Formungsschritt zu
vereinfachen, sollten die Dimensionen der Form, die in dem ersten Kompressions-Formungsschritt
verwendet wurde, zu einem Kreisring führen, der einen größeren Innendurchmesser
und einen kleineren Außendurchmesser
aufweist als der Endartikel, so dass der Vorkern problemlos über den
Dorn und in die Form passt, die benutzt wird, um den Endartikel
herzustellen. Zur Deformierung des Gewebes und zur Herstellung dieser Artikel
sind Pressen erforderlich, die 70 bis 80 Tonnen an Druck und möglicherweise
bis zu 100 Tonnen generieren. Es ist ersichtlich, dass das Gewebe
von gegenüberliegenden
Enden gleichzeitig komprimiert werden könnte, wobei ein solcher Pressvorgang
zu einer Trennlinie führen
kann oder zu einem Dichtegradienten längs der Achse mit den am wenigsten dichten
Bereichen in Richtung des Zentrums. Das Bestreben besteht darin,
einen komprimierten Filter mit einer verhältnismäßig einheitlichen Dichte herzustellen
und deswegen wird bevorzugt in zwei Stufen, wie vorne beschrieben,
komprimiert.
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Gemäss der vorliegenden
Erfindung und wie in den 4A (perspektivisch)
und 4B (seitlich) gezeigt, werden ein oder mehrere
Umfangsdrähte 107 entweder
vor der Herstellung des Vorkerns oder vor dem endgültigen Verdichten
des Vorkerns oder vor beidem um die Außenseite der Röhre und/oder des
Vorkerns 401 (je nachdem welcher Fall betroffen ist) herum
gewickelt. Diese Wicklung kann einen einzelnen Draht beinhalten,
der schraubenförmig
um die Rundung herum gewickelt wird, wie dies in diesen Figuren
gezeigt wird, mehrere Drähte,
die um die Rundung herum gewickelt werden, ein oder mehrere Drahtbänder, die
um die Rundung herum platziert werden oder eine beliebige Kombination
derselben Methoden. Der eine oder die mehreren Umfangsdrähte werden
an der Röhre
und/oder dem Vorkern bevorzugt durch Bördeln befestigt aber jede andere Methode,
die den Um fangsdraht bis und durch den nächsten Kompressionsschritt
hindurch befestigt, ist anwendbar. Obwohl der Umfangsdraht in diesen
Figuren zur besseren Illustration dunkler und dicker dargestellt
ist, kann dieser gleich sein zum oder sich unterscheiden vom Draht,
der für
das Gewebe verwendet wird, dementsprechend unabhängig zu jedem einzelnen Parameter
wie Durchmesser, Geometrie im Querschnitt und Zusammensetzung. Typischerweise
ist der Umfangsdraht in jeglicher Hinsicht identisch zu dem Draht,
der für
das Gewebe benutzt wird.
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Während der
Kompression verkoppeln sich die Schleifen des Gewebes physisch (durch
physische Deformation) und halten sich gegeneinander am Ort. Wenn
sich der Umfangsdraht um die Außenseite
der Röhre
oder des Vorkerns oder beidem während
der Kompression (und der Deformation des Gewebes) befindet, wird
der Umfangsdraht mit dem Gewebe vor Ort verbunden, bzw. verkoppelt.
Der Umfangsdraht, der eine konstantere umfängliche Orientierung aufweist
als das Gewebe, verleiht dem Filter eine höhere Umfangsfestigkeit.
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Die 1 und 2 sind
Fotografien eines Filters mit einer Struktur und einer Herstellung
entsprechend der vorliegenden Erfindung. 1 ist im Wesentlichen
eine plane Aufsicht der Vorrichtung. Ein Drahtgewebe wurde in einen
Filter 101 kompressionsgeformt, mit der Geometrie eines
Kreisrings, der eine äußere Wand 103 und
eine innere Wand 105 aufweist, die eine kreisringförmige Öffnung definieren. 2 ist
eine seitliche, fotografische Ansicht der Vorrichtung gemäß 1,
wobei ein Draht 107 mehrere Umrundungen um die Außenseite
des Filters beschreibt.
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Die
Form, in der die Kompression durchgeführt wird, besteht bevorzugt
aus einem harten Werkzeugstahl. Die Vorrichtung, die für die Formung
verwendet wird, wird auch in den 3A und 3B gezeigt.
Insbesondere zeigt 3A einen Dorn, der für die vorliegende
Erfindung benutzt wird. Der Dorn hat eine scheibenförmige Basis 301,
an der ein Dorn 303 orthogonal und mittig angebracht ist.
Die Größe der Basis
sollte dergestalt sein, dass sie sicher in dem Boden einer aufnehmenden
Form befestigt werden kann, wie dies in 3B gezeigt
wird. Die verknüpfte
Geweberöhre
oder der Vorkern wird über
den Dorn derart positioniert, dass dieser in der Ausnehmung der
aufnehmenden Form positioniert ist und der hülsenförmige Presskolben 305 wird
in die Form gepresst. Der Presskolben hat einen äußeren Durchmesser 307,
der mit dem inneren Durchmesser der aufnehmenden Form korrespondiert
und einen inneren Durchmesser 309, der mit dem äußeren Durchmesser 311 des
Dorns korrespondiert.
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In
bestimmten Ausführungsformen
kann es wünschenswert
sein, dass ein verhältnismäßig langer
komprimierter Artikel gewünscht
wird, der für
die Form zu lang ist oder bei dem eine Form mit der gewünschten
Länge zu
teuer werden würde.
In diesen Fällen
können
eine Mehrzahl von ringförmig
komprimierten Gewebeartikeln Ende an Ende miteinander verbunden
werden, bevorzugt mittels einer Verbindung. Die bevorzugte Verbindung
ist eine Zungen- und Rillen-Konfiguration, wobei der Vorkern eine Zunge
an einem Ende und eine Rille in dem anderen Ende aufweisen würde. Dies
kann dadurch verwirklicht werden, dass die Konfiguration der Basis
des Dorns und des Arbeitsendes des Presskolbens verändert wird.
Insbesondere kann in der Basis des Dorns eine kreisförmige Rille
oder ein kreisförmiger Rücken geformt
werden, so dass, wenn das Drahtgewebe durch den Presskolben dagegen
gedrückt
wird, eine Zunge oder eine Rille (entsprechend) in dem entsprechend
anliegenden Ende des komprimierten Gewebeartikels geformt wird.
Das Arbeitsende des Presskolbens wird dann entsprechend modifiziert, um
die entgegen gesetzte Konfiguration eines Rückens oder einer Rille aufzuweisen,
wodurch eine Rille oder eine Zunge in den gegenüberliegenden Enden des komprimierten
Gewebeartikels geformt wird. Somit weisen komprimierte Gewebeartikel,
die in dieser Art geformt werden, eine kreisförmige Rille an einem Ende und
eine kreisförmige
Zunge an dem anderen Ende auf und können somit Ende an Ende miteinander
verbunden werden, um einen längeren
(axial betrachtet) Artikel zur Verfügung zu stellen. Alternativ
kann die Zunge und die Rille in Fragmente (kreisbogenförmige Segmente)
unterbrochen sein, die wie Schlitze und Nasen wirken, um zwei komprimierte
Filter miteinander zu verbinden.
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Darüber hinaus
können
die Gewebefilter externe Rippen auf der äußeren Peripherie aufweisen, die
axial abstehen, wie dies in dem US-Patent Nr. 6,277,166 beschrieben
und gezeigt wird (wie oben erwähnt).
Wie in den 3C–3E gezeigt,
wird ein Werkzeug zur Herstellung eines Filters mit Rippen benutzt,
in dem sich die Rippen nur längs
eines Teils der axialen Länge
des Filters erstrecken. Das Werkzeug hat eine aufnehmende Form 303 mit
einer inneren Bohrung 300, die bevorzugt zwei innere kreisförmige Umfänge 325 und 327 aufweist.
Einer der kreisförmigen
Umfänge
beinhaltet eine Vielzahl von Rillen oder Kanälen 329, die gleichmäßig voneinander
beabstandet um den Umfang herum und sich parallel längs zur
Achse der Form (orthogonal zum Umfang) hin erstreckend angeordnet
sind. Wenn der Gewebefilter in das Werkzeug mittels des Presskolbens
gedrückt
wird, verformen die Kanäle
den äußeren Umfang
des Filters, so dass das Gewebe die Gänze des inneren Raums des Formungswerkzeugs ausfüllt. Danach
wird der Filter mit den Rippen aus dem Formwerkzeug herausgenommen.
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Wenn
die komprimierten Gewebeartikel der vorliegenden Erfindung als Airbagfilter
verwendet werden, stellt der Airbaghersteller eine „Dose" zur Verfügung, in
die der Gewebefilter eingesetzt wird und in den Kreisring des Filters
wird die explosive Ladung eingesetzt (mit einem Zünder) und
die Dose wird versiegelt. Die Dose beinhaltet eine Anzahl von Ventilationsöffnungen,
durch die das generierte Gas entweicht und die Öffnungen werden normalerweise mit
Papier als Sperrschicht versiegelt (z.B. gegen die Penetration von
Wasser). Vor der Erfindung des vorgenannten '166 Patents musste der Hersteller in
die Dose eine Lokalisierungsvorrichtung einsetzen, um die Position
des Filters zu lokalisieren und dann wurde um den Filter eine geschweißte, perforierte
Röhre eingesetzt,
um eine verbesserte Umfangsfestigkeit zu erreichen. Die Vorrichtung
wird nicht nur benutzt, um den Filter zu lokalisieren, sondern auch
um sicherzustellen, dass der Filter nicht die Wände der Dose berührt und
die Versiegelung der Löcher
in der Dose beeinträchtigt.
Die vorliegende Erfindung, ähnlich
der des '166 Patents,
eliminiert sowohl die Lokalisierungsvorrichtung als auch die perforierte
Röhre aus
dem Herstellungsprozess und liefert dadurch eine erhebliche Kostenersparnis
und Vereinfachung des Herstellungsprozesses.
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Die
neuen Artikel der vorliegenden Erfindung eignen sich auch, um Gewebeersatzteile
herzustellen, zur mechanischen Dämpfung
von Bewegung, insbesondere zur Absorption von Energie, zur Einschränkung von
Bewegung oder zur Ermöglichung einer
nachgiebigen Bewegung. Diese Artikel sind somit zum Austausch von Gummilagern
und flexiblen Röhren
geeignet (flexible, zylindrische oder ringförmige Vorrichtungen zur Verbindung
von Leitungen).
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Vergleichende
Beispiele
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Die
vorliegenden Filter wurden mit Filtern getestet, die keine Umfangsdrähte an der äußeren Oberfläche aufwiesen,
um den relativen Effekt des Umfangdrahtes bezogen auf die Umfangsfestigkeit festzustellen.
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Das
getestete Teil war ähnlich
zu denjenigen, das in den 1 und 2 gezeigt
wird und hatte folgende Eigenschaft: 13,0 mm innerer Durchmesser,
39,9 mm äußerer Durchmesser,
57,0 mm Länge, 200,0
g Gewicht, 41,1% Dichte und hergestellt aus einem 0,020''0 Karbonstahl (194 g) mit einer Umfangsdrahtwicklung
eines 0,023''0 Schwarzoxidkarbonstahls
(6 g) um den äußeren Durchmesser.
Die äußere Wicklung
des Umfangsdrahtes begann an einem Ende, wurde dreimal an diesem
Ende an derselben Stelle herumgewickelt und dann in Richtung des anderen
Endes gequert (schraubenförmig
gewickelt), mit einer Beabstandung von etwa 4 mm zwischen den einzelnen
Wicklungen; sobald das andere Ende erreicht war, wurde der Draht
erneut dreimal an derselben Stelle an dem anderen Ende herumgewickelt.
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Ein
Instron 5882 wurde zum Testen benutzt, in Kombination mit einem
von zwei expandierenden Drehdornen (erhältlich von MSC Direct, Melville,
New York), einer der von etwa 1,3 mm (1/2 Inch) bis etwa 1,4 mm
(9/16 Inch) und ein anderer, der von etwa 1,4 mm (9/16 Inch) bis
etwa 1,7 mm (21/32 Inch) expandierte. Der expandierende Dorn wurde
in den Innendurchmesser des getesteten Teils eingesetzt. Die Instronvorrichtung
wurde derart programmiert, dass der Dorn mit Druck expandiert, wobei
die Kraft aufgezeichnet wurde, die für die Expansion als eine Funktion
der Expansion oder der Auslenkung des Dorn benötigt wurde.
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In 5 werden
die Ergebnisse des ersten benutzten Dorns gezeigt, der von 1,3 mm
bis 1,4 mm expandierte und 6 zeigt
die Ergebnisse des anderen Dorns, der von 1,4 mm bis 1,7 mm expandierte.
Die Ergebnisse werden als „Auslenkung" (in mm) gezeigt,
als Penetration des Dorns in die Hülse versus der Kraft (in kgf), die benötigt wurde, um die gezeigte
Penetration zu erreichen. Wie in beiden Figuren gezeigt, nach etwa
einer 3 mm-Auslenkung in 5 und nach einer etwa 5 mm Auslenkung
in 6 benötigten
die umwickelten Dorne eine signifikant größere Kraft für eine bestimmte
Auslenkung, bezogen auf das Vergleichsbeispiel, das ansonsten identisch
war aber nicht umwickelt mit einem Umfangsdraht.
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Obwohl
die Penetration langsam erfolgte, sind die Ergebnisse zumindest
teilweise simulierend für
die Funktionsweise der Vorrichtung während des explosiven Einsatzes
eines Airbags. Während
des Einsatzes wird eine explosive Ladung innerhalb des Innendurchmessers
des Filters gezündet
und die expandierenden Gase üben
eine signifikante Kraft auf den Innendurchmesser des Filters aus,
während
die Gase durch den Filter hindurch penetrieren und den Airbag aufblasen.
Die erhöhte
Umfangsfestigkeit, die sich aus dem Test ergibt, bedeutet, dass
kein Bedarf an der Nutzung von perforierten oder gestreckten Metallbändern zur
Vergrößerung der
Umfangsfestigkeit besteht.
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Die
vorbezeichnete Beschreibung soll die vorliegende Erfindung nicht
beschränken,
sondern illustrieren. Verschiedene Ände rungen, Modifikationen und
Ergänzungen
werden dem Fachmann bei sorgfältiger
Lektüre
dieser Beschreibung in den Sinn kommen und diese sind dazu bestimmt,
innerhalb des Bereichs und des Geistes dieser Erfindung zu liegen,
wie sie durch die Patentansprüche
definiert wird.
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Zusammenfassung
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Ein
komprimierter Drahtgewebefilter für eine Airbag-Vorrichtung hat einen
oder mehrere Drähte um
den äußeren Umfang
des Filters gewickelt, bevor das Gewebe endgültig komprimiert wird, um die
Umfangsfestigkeit des Filters zu verbessern.