DE102007061004A1

DE102007061004A1 - Verfahren zur Integration eines Sensors in ein Bauteil, insbesondere in einen Stoßfänger eines Kraftfahrzeugs

Info

Publication number: DE102007061004A1
Application number: DE102007061004A
Authority: DE
Inventors: Christian Huber
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2007-12-18
Filing date: 2007-12-18
Publication date: 2009-06-25

Abstract

Bei einem Verfahren zur Integration eines Sensors in ein Bauteil, insbesondere in einen Stoßfänger eines Kraftfahrzeugs, wobei das Bauteil ein Kunststoffbauteil umfasst, das mittels eines Gießverfahrens hergestellt wird, ist vorgesehen, den Sensor in einem Formwerkzeug für das Kunststoffbauteil anzuordnen und ein Kunststoffwerkstoff in das Formwerkzeug zur Ausbildung des Kunststoffbauteils einzubringen, wobei der Sensor zumindest teilweise umgossen wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Integration eines Sensors in ein Bauteil und insbesondere in einen Stoßfänger eines Kraftfahrzeugs sowie einen entsprechenden Stoßfänger für ein Kraftfahrzeug.
Es ist bekannt, in den Fahrzeugvorderbau (so genanntes Front End) und insbesondere in den Stoßfänger eines Kraftfahrzeugs Sensoren zu integrieren, die beim Aufprall eines Gegenstands, wie beispielsweise eines Hindernisses, eines anderen Fahrzeugs oder eines Fußgängers, Signale zur Ansteuerung von Sicherheitsfunktionen des Kraftfahrzeugs erzeugen. Diese Signale können beispielsweise zur Ansteuerung und Auslösung eines Airbags oder auch einer aufstellbaren Motorhaube verwendet werden, die dazu dient, ein Durchschlagen eines auf die Motorhaube auftreffenden Fußgängers auf den darunter liegenden Motor zu verhindern. Im Fahrzeugvorderbau kommen derzeit zwei Sensorarten mit unterschiedlichen Wirkprinzipien zum Einsatz. Zum einen können entlang der Fahrzeugfront eine Mehrzahl von beabstandet zueinander angeordneten Beschleunigungsaufnehmern angeordnet werden, die an der Stoßfängerverkleidung befestigt sind und bei einem Stoß hierauf die entsprechende Beschleunigung ermitteln und als Steuersignal weiterleiten. Weiterhin ist die Verwendung von Lichtwellenleitern bekannt, die gegebenenfalls in mehreren parallelen Lagen entlang der gesamten Breite der Fahrzeugfront verlegt werden, wodurch ein nahezu flächenförmiges Sen sorfeld erzeugt werden kann. Die Funktionsweise derartiger Lichtwellenleiter-Sensoren basiert darauf, dass Licht an einem Ende des Lichtwellenleiters eingekoppelt und an dessen zweitem Ende wieder ausgekoppelt wird. Bei einer Deformation des Lichtwellenleiters ändert sich dessen optische Eigenschaft und damit das Dämpfungsverhalten, wobei diese Änderung ausgewertet und zur Ansteuerung einer Sicherheitsfunktion verwendet werden kann.
Der Aufbau und die Funktionsweise derartiger Lichtwellenleiter ist beispielsweise in der DE 10 2006 002 853 A1 sowie der DE 10 2004 059 932 B3 offenbart. Aus diesen Druckschriften ist auch bekannt, Lichtwellenleiter-Sensoren als Lichtwellenleiterband auszubilden, wobei eine Mehrzahl von Lichtwellenleitern parallel geführt und für eine Positionsfixierung in eine Umhüllung eingebettet sind.
Die DE 10 2004 005 566 A1 sowie die DE 10 2004 046 860 A1 zeigen Beispiele für eine Integration von solchen Lichtwellenleiter-Sensoren in den Vorderbau eines Kraftfahrzeugs. In der DE 10 2004 005 566 A1 ist vorgesehen, den Sensor nachträglich auf die Innenseite der Stoßfänger-Verkleidung oder auf ein Deformationselement des Stoßfängerträgers aufzukleben. In der DE 10 2004 046 860 A1 ist vorgesehen, den Sensor in einer Ausnehmung eines Aufprallelements des Stoßfängers anzuordnen und weiterhin einen Deckel vorzusehen, mittels dessen die Ausnehmung für den Sensor abgedeckt und gleichzeitig der Sensor an den Boden der Ausnehmung gedrückt wird. Dieses Anpressen des Sensors an seine Auflagefläche soll bewirken, dass der Sensor spielfrei an der entsprechenden Anlagefläche anliegt, so dass ein unmittelbares Ansprechen im Deformationsfall gewährleistet und eine Fehlfunktion verhindert wird. Die in der DE 10 2004 005 566 A1 sowie der DE 10 2004 046 860 A1 offenbarten Möglichkeiten zur Integration eines Sensors in Vorderbau eines Kraftfahrzeugs weisen eine Reihe von Nachteilen auf. Beispielsweise kann das nachträgliche Befestigen von Sensoren an der Außenfläche von Bauteilen des Vorderbaus mit „Package"-Problemen einhergehen, da ein frei verfügbarer Raum in diesem Bereich des Fahrzeugs auf grund der Vielzahl der dort angeordneten Funktionselemente äußerst beschränkt ist. Weiterhin erfordern die aus dem Stand der Technik bekannten Integrationsmöglichkeiten einen erheblichen Arbeitsaufwand hinsichtlich der Montage und insbesondere der Qualitätssicherung. Beispielsweise muss bei einem Ankleben des Sensors auf entsprechende Bauteile des Vorderbaus sichergestellt werden, dass der Sensor vollflächig mit dem entsprechenden Trägerbauteil verbunden ist, um eine Fehlfunktion dieses sicherheitsrelevanten Bauteils zu verhindern. Die aus der DE 10 2004 046 860 A1 bekannte Lösung, die einen sicheren Sitz des Sensors an der Auflagefläche gewährleisten soll, ist dagegen durch einen noch weiter erhöhten Arbeitsaufwand gekennzeichnet.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Integration eines Sensors in ein Bauteil und insbesondere in einen Stoßfänger eines Kraftfahrzeugs anzugeben, wobei sich das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere durch eine höhere Wirtschaftlichkeit gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Integrationsmöglichkeiten auszeichnen soll. Weiterhin soll das Verfahren gewährleisten, dass der Sensor betriebssicher in das Bauteil integriert werden kann. Aufgabe der Erfindung ist weiterhin, einen entsprechenden Stoßfänger mit integriertem Sensor anzugeben, der sich kostengünstig herstellen lässt.
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen Patentansprüche.
Der Kern der Erfindung sieht vor, den Sensor direkt bei der Herstellung des Bauteils fertigungstechnisch zu integrieren, indem das Bauteil ein Kunststoffbauteil umfasst, das mittels eines Gießverfahrens hergestellt wird, so dass der Sensor in einem Formwerkzeug für dieses Kunststoffbauteil angeordnet und ein Kunststoffwerkstoff zur Ausbildung des Kunststoffbauteils in das Formwerkzeug eingebracht werden kann, wobei der Sensor zumindest teilweise umgossen wird. Diese fertigungstechnische Integration des Sensors in das Bauteil ist lediglich mit einem geringen Mehraufwand im Bezug zu der Herstellung des Bauteils selbst verbunden, so dass sich das erfindungsgemäße Verfahren als äußerst wirtschaftlich darstellen kann. Durch das zumindest teilweise Umgießen des Sensors mit dem Werkstoff des Kunststoffbauteils kann zudem ein sicherer vollflächiger Kontakt zwischen dem Sensor und dem Bauteil sichergestellt werden.
Unter ,Umgießen' wird erfindungsgemäß verstanden, dass ein fließfähiger Werkstoff zumindest teilflächig in Kontakt mit dem Sensor gebracht wird und dort aushärtet. Erfindungsgemäß ist nicht erforderlich, dass der Werkstoff den ,Sensor' soweit umgibt, dass eine in jede Bewegungsrichtung formschlüssige Verbindung zwischen den beiden Komponenten hergestellt ist. Der Begriff Sensor umfasst ein gegebenenfalls mehrteiliges Funktionsbauteil, das der Aufnahme beziehungsweise Messung bestimmter Kennwerte dient und diese in ein Signal umwandelt. Insbesondere kann der Sensor aus einem oder mehreren Sensorelementen, d. h. denjenigen Elementen, die für die Messung und/oder Umwandlung der Kennwerte in Signale zuständig sind, als auch ein diese Sensorelemente umgebendes Gehäuse bzw. eine Ummantelung umfassen.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Sensorband und insbesondere ein Lichtwellenleiterband verwendet, da auf diese Weise eine großflächige Erfassung der zu detektierenden Kennwerte ermöglicht wird.
Vorzugsweise wird der Sensor in dem Formwerkzeug fixiert, um ein Verrutschen durch das Einbringen des Kunststoffwerkstoffs in das Formwerkzeug zu verhindern. Die Fixierung kann vorteilhafterweise mittels Unterdrucks realisiert werden, wobei das Formwerkzeug in dem entsprechenden Abschnitt seiner Kavität mit entsprechenden Öffnungen versehen sein kann.
Weiterhin können geeignete Führungen, Niederhalter oder Krallen für eine Fixierung des Sensors in dem Formwerkzeug vorgesehen sein.
In einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, für den Kunststoffwerkstoff einen Energie absorbierenden Kunststoffschaum zu verwenden, d. h. den Sensor in ein Energieabsorptionselement des Bauteils (insbesondere des Stoßfängers) zu integrieren. Für die Energie absorbierenden Eigenschaften eines solchen Energieabsorptionselement ist in der Regel ein gewisser Deformationsweg notwendig, so dass aufgrund der Ausmaße, die solche Energieabsorptionselemente regelmäßig aufweisen, eine Integration des Sensors in das Bauteil (insbesondere in einen Stoßfänger eines Kraftfahrzeugs) ermöglicht wird, die das „Packaging" des Vorderbaus des Fahrzeugs nicht wesentlich beeinflusst.
Vorzugsweise kann der Sensor weiterhin mit einem Haftvermittler versehen sein, mittels dessen eine gute kraft- bzw. stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Sensor und dem Kunststoffwerkstoff erzielt werden kann. Eine gute kraft- bzw. stoffschlüssige Verbindung kann – auch ohne einen solchen Haftvermittler – auch dann erzielt werden, wenn für den Sensor beziehungsweise dessen Gehäuse beziehungsweise Ummantelung ein Werkstoff verwendet wird, der zu dem Kunststoffwerkstoff, mit dem der Sensor umgossen wird, artgleich ist.
Ein erfindungsgemäßer, einen Sensor aufweisenden Stoßfänger für ein Kraftfahrzeug ist dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor durch zumindest teilweises Umgießen mit dem Kunststoff des Kunststoffbauteils in dieses integriert ist.
Der Sensor kann vorzugsweise weiterhin Durchbrüche und/oder Hinterschnitte aufweisen, durch die eine formschlüssige Fixierung in dem Kunststoffbauteil beispielsweise auch dann gewährleistet wird, wenn der Sensor nicht vollumfänglich von dem Kunststoff umgossen wird. Beim Einbringen des Kunst stoffwerkstoffs in das Formwerkzeug kann dieser durch die Durchbrüche hindurch oder um die Hinterschnitte herum fließen, so dass nach dem Erstarren des Kunststoffwerkstoffs ein entsprechender Formschluss gegeben ist.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
In den Zeichnungen zeigen die:
1 und 2: die Integration eines Sensors in Form eines Lichtwellenleiterbands in den Stoßfänger eines Kraftfahrzeugs in zwei unterschiedlichen Ansichten;
3: die Integration von einzelnen Beschleunigungssensoren in den Stoßfänger eines Kraftfahrzeugs;
4: einen Querschnitt durch einen Ausschnitt des Stoßfängers der 1 und 2;
5: einen Querschnitt entsprechend der 4 mit einer alternativen Ausführungsform des Energieabsorptionselements des Stoßfängers;
6 ein geöffnetes Schaumwerkzeug zur erfindungsgemäßen Herstellung eines Energieabsorptionselements mit integriertem Sensorband zur Verwendung bei einem Stoßfänger gemäß der 1 und 2; und
7: das Formwerkzeug der 6 in einem geschlossenen Zustand.
In den 1 bis 3 ist ein Stoßfänger für ein Kraftfahrzeug dargestellt, der im Wesentlichen aus einer Stoßfängerverkleidung 1, die einen Teil der Außenhaut der Karosserie des Fahrzeugs bildet, und einem Stoßfängerträger 2 besteht, der an die Tragstruktur der Karosserie angebunden ist. Während die Stoßfängerverkleidung 1 im Wesentlichen der optischen Integration des Stoßfängers in die Karosserie eines Kraftfahrzeugs (nicht dargestellt) dient, ist der Stoßfängerträger 2 zur Aufnahme beziehungsweise Absorption von Stoßenergie im Falle eines Auftreffens eines Gegenstands, wie beispielsweise eines Hindernisses, eines anderen Fahrzeugs oder eines Fußgängers auf den Stoßfänger des Kraftfahrzeugs vorgesehen.
Wie insbesondere in den 4 und 5 zu erkennen ist, umfasst der Stoßfängerträger einen steifen Grundträger 3, der in der Regel aus einem metallischen Werkstoff hergestellt ist, so dass dieser im Rahmen einer plastischen Verformung eine hohe Energieaufnahme ermöglicht. Dem Grundträger vorgelagert ist ein zusätzliches Energieabsorptionselement 4, das aus einem reversibel deformierbaren Kunststoffschaum (4) hergestellt oder als spritzgegossenes Kunststoffhohlbauteil (5) ausgebildet ist. Das Energieabsorptionselement 4 zeichnet sich ebenfalls durch eine hohe Energieaufnahme bei einer Deformation aus. Das Energieabsorptionselement 4 dient dazu, die Energie, die beim Auftreffen eines Gegenstands auf den Stoßfänger bei geringen Geschwindigkeiten übertragen wird, zu absorbieren und gegebenenfalls durch die Reversibilität seiner Deformation sicherzustellen, dass keine bleibende Deformation zurückbleibt. Sofern jedoch ein Gegenstand auf den Stoßfänger auftrifft, dessen Energie nicht vollständig über das Energieabsorptionselement umgewandelt werden kann, ist vorgesehen, diese überschüssige Energie – sofern möglich – durch eine plastische Deformation des Grundträgers 3 abzubauen. Dieses definierte plastische Deformationsverhalten des Grundträgers 3 dient dazu, eine Deformation und somit Beschädigung der Tragstruktur des Kraftfahrzeugs möglichst zu verhindern, so dass nach einem entsprechenden Auftreffen eines Gegenstands auf den Stoßfänger lediglich der Stoßfängerträger 2 sowie gegebenenfalls die Stoßfängerverkleidung 1 ausgetauscht werden muss und eine aufwändige Reparatur an der Tragstruktur des Kraftfahrzeugs verhindert werden kann.
Erfindungsgemäß ist in den Stoßfängerträger 2 weiterhin ein Sensor integriert, der dazu vorgesehen ist, die Höhe einer durch einen Stoß verursachten Deformation des Stoßfängerträgers 2 zu detektieren und entsprechende Sig nale zu generieren, die der Ansteuerung von Sicherheitsfunktionen und- elementen des Kraftfahrzeugs (beispielsweise Airbags und eine aufstellbare Fronthaube – nicht dargestellt) dienen. Die Ausführungsform gemäß der 1 und 2 sieht einen Sensor in Form eines Lichtwellenleiterbands 5 vor. Wie bereits einleitend erläutert wurde, ist der Aufbau und die Funktionsweise eines solchen Lichtwellenleiterbands 5 aus dem Stand der Technik bereits hinreichend bekannt (beispielsweise in der DE 2006 002 853 A1 und der DE 10 2004 059 932 B3 ), so dass hierauf an dieser Stelle nicht näher eingegangen werden muss. Ein solches Lichtwellenleiterband 5 weist den Vorteil auf, dass es seine Funktion über der gesamten Breite des Stoßfängerträgers 2 ausführen kann.
In der erfindungsgemäßen Ausführungsform gemäß der 3 sind dagegen insgesamt fünf separate Beschleunigungssensoren 6 vorgesehen, die in einem definierten Abstand zueinander entlang der Breite des Stoßfängerträgers 2 verteilt sind. Eine solche Ausgestaltung kann den Nachteil aufweisen, dass eine Auswertung eines Stoßes bzw. einer Derformation des Stoßfängerträgers 2, bei der die Einleitung des Stoßes in dem Bereich zwischen zwei Beschleunigungssensoren 6 liegt, relativ aufwändig mittels einer Interpolation der Messwerte der beiden nächstliegenden Beschleunigungssensoren 6 ermittelt werden muss.
Die Herstellung eines Energieabsorptionselements 4 mit darin integriertem Sensorelement, wie es in der 4 dargestellt ist, kann mittels eines Schäumwerkzeugs, wie es in den 6 und 7 dargestellt ist, erfolgen. Das Schäumwerkzeug besteht aus einem Werkzeugunterteil 7 und einem Werkzeugoberteil 8, die in vertikaler Richtung zueinander verfahrbar sind und im geschlossenen Zustand eine Kavität ausbilden, die die Form des Energieabsorptionselements 4 abbildet. Zur Herstellung eines Energieabsorptionselements 4 gemäß der 4 ist vorgesehen, den Sensor, der als Lichtwellenleiterband 5 ausgebildet ist, an einer definierten Stelle im Bereich der Kavität des Werkzeugoberteils 7 zu fixieren. Hierfür sind in diesem Be reich der Kavität Öffnungen (nicht dargestellt) in der Oberfläche des Werkzeugteils vorgesehen, durch die mittels Erzeugung eines Unterdrucks das Lichtwellenleiterband 5 an die Oberfläche angedrückt wird. Nach dem Schließen der Werkzeugteile 7, 8 wird ein fließfähiger, aufschäumbarer Kunststoffwerkstoff (nicht dargestellt) in die Kavität eingebracht, wo dieser in einer chemischen Reaktion aufschäumt und hierbei die Kavität vollständig ausfüllt. Dadurch dass das Lichtwellenleiterband 5 innerhalb der Kavität positioniert ist, wird dieses von dem Kunststoffschaum umschlossen und hierbei kraftschlüssig und in zwei der drei Bewegungsrichtungen zusätzlich formschlüssig fixiert. Durch den durch die Aufschäumreaktion erzeugten Druck innerhalb der Kavität wird dabei sichergestellt, dass das Lichtwellenleiterband 5 vollflächig mit dem Kunststoffschaum in Kontakt steht. Nach dem Aushärten des Kunststoffschaums kann das Energieabsorptionselement 4 einschließlich des darin integrierten Lichtwellenleiterbands 5 dem Schaumwerkzeug entnommen und montiert werden. Eine Montage des Energieabsorptionselements 4 auf den Grundträger 3 des Stoßfängerträgers 2 ist durch einfaches Aufstecken möglich; das Energieabsorptionselement 4 ist hierfür mit entsprechenden Verriegelungselementen 8 versehen.
Die in der 5 dargestellte, alternative Ausführungsform eines Energieabsorptionselements 4' ist als dünnwandiger Hohlkörper ausgeführt, wobei der Sensor, der wiederum als Lichtwellenleiterband 5 ausgeführt ist, an einer entsprechenden Stelle in die Wand des Energieabsorbtionselements 4' integriert ist. Die Herstellung dieses Energieabsorptionselements 4' erfolgt durch Spritzgießen in einem Spritzgießwerkzeug, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist. Für die Integration des Lichtwellenleiterbands 5 wird dieses in dem Spritzgießwerkzeug fixiert und mittels des fließfähigen Kunststoffwerkstoffs umgossen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102006002853 A1 [0003]
- DE 102004059932 B3 [0003, 0026]
- DE 102004005566 A1 [0004, 0004, 0004]
- DE 102004046860 A1 [0004, 0004, 0004, 0004]
- DE 2006002853 A1 [0026]

Claims

Verfahren zur Integration eines Sensors in ein Bauteil, insbesondere in einen Stoßfänger eines Kraftfahrzeugs, wobei das Bauteil ein Kunststoffbauteil umfasst, das mittels eines Gießverfahrens hergestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor in einem Formwerkzeug für das Kunststoffbauteil angeordnet und ein Kunststoffwerkstoff in das Formwerkzeug zur Ausbildung des Kunststoffbauteils eingebracht wird, wobei der Sensor zumindest teilweise umgossen wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sensorband und insbesondere ein Lichtwellenleiterband (5) verwendet wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor in dem Formwerkzeug fixiert wird.
Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor durch Erzeugung eines Unterdrucks fixiert wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Energie absorbierender Kunststoffschaum verwendet wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor mit einer Haftvermittler versehen wird.
Stoßfänger für ein Kraftfahrzeug, umfassend zumindest ein Kunststoffbauteil sowie einen Sensor, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor durch zumindest teilweises Umgießen mit dem Kunststoff des Kunststoffbauteils in dieses integriert ist.
Stoßfänger gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor Durchbrüche und/oder Hinterschnitte für eine formschlüssige Fixierung in dem Kunststoffbauteil aufweist.