DE102008044774A1

DE102008044774A1 - Parallelschaltung aus einer pyrotechnischen Sicherung und einer weiteren Sicherung für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102008044774A1
Application number: DE102008044774A
Authority: DE
Inventors: Josef Ing. Winkler
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2008-08-28
Filing date: 2008-08-28
Publication date: 2009-10-15

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug, eine Sicherungseinheit sowie ein Verfahren, wobei durch die Erfindung ermöglicht wird, ein Kraftfahrzeug auch bei Verwendung langer elektrischer Leitungen zwischen einer Quelle für elektrische Energie und elektrischen Verbrauchern in wirtschaftlicher Weise herzustellen und zu betreiben, ohne dabei die Sicherheit des Kraftfahrzeugs im Fall einer Kollision zu beeinträchtigen. Dies wird durch eine Parallelschaltung aus einer durch ein Auslösesignal auslösbaren Sicherung 16 und einer weiteren Sicherung 18 ermöglicht. Über eine solche Parallelschaltung ist die Versorgung eines Starters 14 für einen Kraftfahrzeugmotor 20 zusammen mit weiteren elektrischen Verbrauchern 26 über eine gemeinsame Leitung möglich, ohne dabei auf ein prophylaktisches Auslösen der durch ein Schaltsignal S auslösbaren Sicherung 16, z.B. bei einer Kollision des Fahrzeugs, verzichten zu müssen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einer Quelle für elektrische Energie und mit zumindest einem über eine Sicherung mit der Quelle verbundenen elektrischen Verbraucher gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Zu der Erfindung gehört auch eine Sicherungseinheit mit einer pyrotechnischen Sicherung gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 8 sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Starters für einen Kraftfahrzeugmotor.
Ein Kraftfahrzeug nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 weist eine Quelle für elektrische Energie auf, mit der elektrische Verbraucher betrieben werden können. Im Zusammenhang mit der Erfindung ist dabei unter einer Quelle für elektrische Energie bevorzugt ein Speicher wie beispielsweise eine Batterie oder ein Akkumulator zu verstehen. Die elektrischen Verbraucher sind über eine Sicherung mit der Quelle verbunden, um zu verhindern, dass im Falle eines Kurzschlusses in einem der elektrischen Verbraucher weitere Schäden durch einen zu hohen Kurzschlussstrom oder durch einen Lichtbogen entstehen. Solche Sicherungen sind dazu ausgelegt, einen Stromfluss durch sie zu unterbrechen, falls dessen Stromstärke einen vorbestimmten Wert übersteigt. Ein Beispiel für eine solche Sicherung ist die Schmelzsicherung, bei der durch einen den Nennstromstärke der Sicherung übersteigenden Strom ein Leiterelement zum Schmelzen gebracht wird und dadurch die elektrische Verbindung zwischen den Anschlüssen der Sicherung zerstört wird.
Schmelzsicherungen lassen sich allerdings nicht zur Absicherung eines elektrischen Starters für einen Kraftfahrzeugmotor verwenden, da dieser Starter beim Anlassen des Kraftfahrzeugmotors einen Starterstrom benötigt, dessen Stromstärke derjenigen im Falle eines Kurzschlusses sehr nahe kommt.
Um auch elektrische Verbraucher mit kurzzeitigem hohen Strombedarf wie z. B. einen Starter absichern zu können, wird eine pyrotechnische Sicherung verwendet, wie sie beispielsweise in der Druckschrift DE 100 49 071 A1 beschrieben ist. Das Auslöseverhalten dieser pyrotechnischen Sicherung ist präziser, da man nicht darauf angewiesen ist, ein graduelles Erhitzen und Zerschmelzen eines Leitungsabschnitts abwarten zu müssen. Statt dessen wird die elektrische Verbindung zwischen den Anschlüssen der pyrotechnischen Sicherung durch Auslösen eines Sprengsatzes mechanisch zerstört. Die pyrotechnische Sicherung lässt sich deshalb dazu verwenden, einen Verbraucher mit einem höheren Nennstromwert in der Weise abzusichern, dass der Verbraucher ohne Fehlauslösen der Sicherung betrieben werden kann und dennoch im Falle eines Kurzschlusses mit einer nur geringfügig höheren Stromstärke die Sicherung auslöst.
Sicherungen werden im Fahrzeug immer auch so angeordnet, dass Kurzschlüsse zwischen den von der Quelle zu den Verbrauchern führenden Leitungen und umgebenden Blechteilen ebenfalls keine weiteren Schäden verursachen. Dazu werden die von der Quelle zu den elektrischen Verbrauchern führenden Leitungen über Sicherungen mit der Quelle verbunden. Wird beispielsweise eine Leitung durch eine Kollision des Kraftfahrzeuges gequetscht, so dass die Isolierung der Leitung beschädigt und ein Kontakt der Leitung mit Blechteilen zustande kommt, löst ein solcher Leitungskurzschluss ebenfalls eine Sicherung aus.
Die zum Starter zugehörige Leitung ist über eine pyrotechnische Sicherung mit der Quelle verbunden. Diese pyrotechnische Sicherung wird im Falle einer Kollision des Kraftfahrzeugs prophylaktisch ausgelöst, da bei einer Beschädigung der Starterleitung nicht sichergestellt ist, dass die pyrotechnische Sicherung auslöst. Das Signal zum prophylaktischen Auslösen der pyrotechnischen Sicherung wird dabei durch eine Einrichtung zum Erkennen einer Kollision, einem so genannten Crashsensor, generiert.
Da durch das prophylaktische Auslösen der pyrotechnischen Sicherung die gesamte von der Quelle zum Starter führende Leitung stromlos wird, kann diese Leitung nicht zur Versorgung weiterer Verbraucher verwendet werden, deren Funktionsfähigkeit nach Möglichkeit auch während bzw. nach einer Kollision sichergestellt werden muss. Dies gilt insbesondere für sicherheitsrelevante Verbraucher wie eine elektro-mechanische Servolenkung und eine elektronische Fahrstabilisierung. Aus diesem Grund wird eine zweite von der Quelle ausgehende Leitung verwendet, über die weitere elektrische Verbraucher versorgt werden können. Für diese zweite Leitung ist eine Absicherung an der Quelle trotz des verhältnismäßig hohen Strombedarfs der elektro-mechanischen Servolenkung und der elektronischen Fahrstabilisierung durch eine weniger aufwendige Sicherung, zum Beispiel eine Schmelzsicherung, möglich.
Bei Fahrzeugen mit leistungsstarken und damit voluminösen Motoren wird die Quelle für elektrische Energie bevorzugt im Kofferraum des Kraftfahrzeugs untergebracht, um so zusätzlichen Platz im Motorraum zu gewinnen. Dies hat zur Folge, dass die beiden von der Quelle ausgehenden Leitungen, nämlich sowohl die zum Starter führende als auch die zu den übrigen Verbrauchern führende Leitung, durch das gesamte Fahrzeug hin zu den Verbrauchern im Frontbereich geführt werden müssen. Diese verhältnismäßig langen Leitungen müssen einen entsprechend größeren Querschnitt aufweisen, damit sich der elektrische Gesamtwiderstand der Leitungen nicht erhöht. Anderenfalls käme es zu einem signifikanten Spannungsabfall auf der Leitung, so dass die Funktionstüchtigkeit der zu versorgenden Verbraucher nicht gewährleistet wäre. Durch die Verwendung stärkerer Leitungen erhöht sich allerdings der Materialbedarf erheblich, wodurch sowohl das Gewicht des Fahrzeugs als auch dessen Herstellungskosten steigen.
Ein Nachteil der Verlagerung der Quelle für elektrische Energie aus dem Motorraum in den Kofferraum besteht damit in der geringeren Wirtschaftlichkeit des Kraftfahrzeugs aufgrund eines höheren Gesamtgewichts und höherer Herstellungskosten.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Versorgung der elektrischen Verbraucher eines Kraftfahrzeuges auf wirtschaftliche Weise zu ermöglichen, ohne dabei die Sicherheit des Kraftfahrzeugs bei einer Kollision zu beeinträchtigen.
Die Aufgabe wird durch ein Kraftfahrzeug gemäß dem Anspruch 1 gelöst. Zur Lösung der Aufgabe gehört auch eine Sicherungseinheit gemäß Anspruch 8. Außerdem besteht eine Lösung der Aufgabe in dem Verfahren gemäß Anspruch 10. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe somit durch ein Kraftfahrzeug gelöst, bei dem die Quelle mit einem elektrischen Verbraucher über eine Sicherung elektrisch verbunden ist, die in Abhängigkeit von einem Schaltsignal auslösbar ist, wie es beispielsweise bei einer pyrotechnischen Sicherung der Fall ist. Dabei ist die Quelle zusätzlich über eine zu der über ein Schaltsignal auslösbaren Sicherung parallel geschaltete weitere Sicherung elektrisch mit dem Verbraucher verbunden. Für diese zweite Sicherung kann beispielsweise eine Schmelzsicherung verwendet werden wie sie zum Absichern von Verbrauchern verwendet wird, die Ströme geringerer Stromstärke als ein Starter eines Kraftfahrzeugs benötigen. Mit einer Parallelschaltung aus zwei Sicherungen gemäß Anspruch 1, insbesondere mit einer Parallelschaltung aus einer durch ein Schaltsignal auslösbaren pyrotechnischen Sicherung und einer Schmelzsicherung, ist es möglich, einen Verbraucher wie den Starter für den Kraftfahrzeugmotor sicher zu betreiben. Wird die pyrotechnische Sicherung durch ein Schaltsignal z. B. bei einer Kollision prophylaktisch ausgelöst, besteht vorteilhafterweise dennoch die Möglichkeit, elektrische Verbraucher über die selbe Leitung zu versorgen: Ein entsprechender Strom würde bei ausgelöster pyrotechnischer Sicherung über die parallel geschaltete Schmelzsicherung fließen.
Vorteilhafterweise wird die von einem Schaltsignal auslösbare Sicherung im Falle eines Unfalls durch eine Einrichtung zum Erkennen einer Kollision (Crashsensor) ausgelöst. Dadurch wird der gesamte durch die zum Starter führende Leitung fließende Strom durch die zweite Sicherung, also die Schmelzsicherung, geführt. Wird die Leitung bei einer Kollision tatsächlich beschädigt, so dass es zu einem Kurzschluss kommt, löst auch die Schmelzsicherung aus. Andernfalls besteht über die Leitung weiterhin eine elektrische Verbindung zur Quelle.
Auch die durch ein Schaltsignal auslösbare Sicherung ist vorteilhafterweise durch einen Überstrom auslösbar, wie es bei der oben beschriebenen pyrotechnischen Sicherung der Fall ist. Die ein Auslösen bewirkende Stromstärke wird dabei bevorzugt höher gewählt als bei der parallel geschalteten weiteren Sicherung, um ein Fehlauslösen durch Betreiben eines Starters zu verhindern. Bei dem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug wird insbesondere der Starter über die erfindungsgemäße Parallelschaltung der beiden Sicherungen versorgt, damit ein sicherer Betrieb desselben gewährleistet ist.
Die Wirtschaftlichkeit des Kraftfahrzeugs lässt sich steigern, indem wenigstens ein weiterer elektrischer Verbraucher über die zum Starter führende Leitung versorgt wird. Durch die erfindungsgemäße Parallelschaltung der beiden Sicherungen bleibt es trotz des prophylaktischen Auslösens der pyrotechnischen Sicherung möglich, auch während bzw. nach einer Kollision Verbraucher über die zum Starter führende Leitung zu versorgen.
Die übrigen im Kraftfahrzeug vorhandenen elektrischen Verbraucher lassen sich dadurch mit der Quelle über eine Leitung mit verhältnismäßig kleinem Querschnitt verbinden, da diese Leitung weniger Verbraucher versorgen muss. Um Kurzschlüsse in den weiteren an die zum Starter führende Leitung angeschlossenen Verbrauchern besser abzusichern, ist es angebracht, jedem dieser Verbraucher eine weitere, nur diesem Verbraucher zugeordnete Sicherung unmittelbar vorzuschalten.
Werden insbesondere Verbraucher mit hohem Strombedarf, wie z. B. Komponenten einer elektro-mechanischen Servolenkung oder einer elektronischen Fahrstabilisierung über dieselbe Leitung wie der Starter versorgt, lässt sich der Querschnitt der die übrigen Verbraucher mit der Quelle verbindenden Leitung besonders gering wählen.
Ein vorteilhafter Platzgewinn im Motorraum ergibt sich, wenn die Quelle für elektrische Energie im Kofferraum des Kraftfahrzeugs angeordnet ist. Durch die erfindungsgemäße Parallelschaltung aus den beiden Sicherungen ist es möglich, alle Verbraucher mit hohem Strombedarf über eine gemeinsame Leitung mit verhältnismäßig großem Querschnitt zu versorgen, so dass für die Verbindung von der Quelle zu den übrigen Verbrauchern eine Leitung mit geringem Querschnitt gewählt werden kann. Insbesondere lassen sich der Starter des Kraftfahrzeugmotors und Komponenten einer elektromechanischen Servolenkung und einer elektronischen Fahrstabilisierung gemeinsam über die Leitung mit dem größeren Querschnitt versorgen.
Die erfindungsgemäße Parallelschaltung aus einer pyrotechnischen Sicherung und einer weiteren Sicherung wird in vorteilhafter Weise als eigenständige Sicherungseinheit mit zwei Anschlüssen bereitgestellt. Eine solche Sicherungseinheit weist den Vorteil auf, dass sie leicht montierbar ist und bereits die benötigten Anschlüsse zum Anbringen an die Quelle bzw. zum Anschließen der zum Starter führende Leitung aufweist.
Weist die Sicherungseinheit einen zusätzlichen Anschluss auf, an den ein Signalgeber zum Auslösen der pyrotechnischen Sicherung anschließbar ist, wird das prophylaktische Auslösen der pyrotechnischen Sicherung durch eine Einrichtung zum Erkennen einer Kollision ermöglicht.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben der erfindungsgemäßen Parallelschaltung aus den beiden Sicherungen besteht schließlich allgemein aus den Schritten:

– Betreiben des Starters mit dem Speicher für elektrische Energie bei geschlossenem Schaltelement,
– Öffnen des Schaltelements mittels eines geeigneten Signals zu einem Zeitpunkt nach dem Start des Motors.

Hierbei ist als Schaltelement bevorzugt eine durch ein Auslösesignal auslösbare Sicherung wie z. B. die pyrotechnische Sicherung vorzusehen. Durch die genannten Verfahrensschritte wird sichergestellt, dass beim Betreiben des Starters zum Anlassen des Kraftfahrzeugmotors ein Fehlauslösen der Parallelschaltung aus den beiden Sicherungen verhindert wird. Der Starterstrom kann dem Starter über das geschlossene Schaltelement, also z. B. die pyrotechnische Sicherung, zugeführt werden. Wird das Schaltelement als pyrotechnische Sicherung bereitgestellt und als parallel geschaltete Sicherung eine Schmelzsicherung verwendet, so wird die pyrotechnische Sicherung im Normalfall fast den gesamten Strom führen und dadurch eine Fehlauslösung beim Start ausschließen. Ursache dafür ist, dass die Schmelzsicherung einen deutlich höheren Widerstand als die pyrotechnische Sicherung hat. Zusätzlich weist die Schmelzsicherung einen positiven Temperaturkoeffizienten auf, wodurch der Widerstand der Schmelzsicherung mit steigendem Strom noch zusätzlich ansteigt.
Nach dem Start des Kraftfahrzeugmotors ist es möglich, das Schaltelement zu öffnen, da der Starter nicht mehr betrieben wird. Wird anstelle einer pyrotechnischen Sicherung ein reversibel schaltbares Element wie z. B. ein Relais verwendet, kann durch Öffnen eines solchen Schaltelements erreicht werden, dass unmittelbar nach dem Start des Kraftfahrzeugmotors bereits der gesamte Strom durch die parallel geschaltete Sicherung geführt wird.
Wird dagegen als Schaltelement eine pyrotechnische Sicherung verwendet, kann zum prophylaktischen Auslösen der pyrotechnischen Sicherung im Fall einer Kollision das Verfahren um den folgenden Schritt ergänzt werden:

– Generieren eines geeigneten Signals zum Öffnen des Schaltelements mittels einer Einrichtung zum Erkennen einer Kollision.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dazu zeigt:
1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs und
2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Sicherungseinheit.
In 1 ist in einer Prinzipdarstellung ein Umriss eines von der Seite betrachteten erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs 10 gezeigt. In dem Fahrzeug befindet sich im Bereich des Kofferraums eine Fahrzeugbatterie 12, die als Quelle für elektrische Energie, insbesondere als Stromquelle, dient. Der in 1 rechte der beiden Anschlusspole der Batterie ist mit der Fahrzeugmasse verbunden. Der linke Anschlusspol ist über eine Parallelschaltung aus einer in Abhängigkeit von einem Schaltsignal S auslösbaren pyrotechnischen Sicherung 16 und einer Schmelzsicherung 18 mit einem Starter 14 für einen Kraftfahrzeugmotor 20 verbunden. Der Kraftfahrzeugmotor 20 mit seinem Starter 14 befindet sich dabei im Motorraum im vorderen Bereich des Kraftfahrzeugs. Das Signal S zum Auslösen der pyrotechnischen Sicherung 16 wird bei einer Kollision des Kraftfahrzeugs 10 von einem Crashsensor 22 abgegeben. In 1 ist die Verbindung zwischen dem Crashsensor 22 und der pyrotechnischen Sicherung 16 nicht vollständig gezeigt. An die zum Starter 14 führende Leitung ist über eine zusätzliche Sicherung 24 ein weiterer elektrischer Verbraucher 26 angeschlossen, der damit ebenfalls über die Parallelschaltung aus der ersten Sicherung 16 und der zweiten Sicherung 18 mit der Quelle 12 verbunden ist. Die beiden elektrischen Verbraucher, also der Starter 14 und der weitere elektrische Verbraucher 26 sind zusätzlich an die Fahrzeugmasse angeschlossen, wodurch sich ein geschlossener Stromkreis mit der Quelle 12 ergibt. Als weitere elektrische Verbraucher 26 können auch sicherheitsrelevante Komponenten wie eine elektromechanische Servolenkung oder eine elektronische Fahrstabilisierung angeschlossen werden.
In 2 ist schematisch eine im Ganzen mit 30 bezeichnete Sicherungseinheit dargestellt. Die Sicherungseinheit 30 weist zwei Anschlüsse 32, 34 auf. Es führen zwei Schaltungszweige 36, 40 von dem einen Anschluss 32 zu dem anderen Anschluss 34. In dem einen Zweig 36 befindet sich dabei eine pyrotechnische Sicherung 38, die hier in bereits ausgelöstem Zustand dargestellt ist, so dass ein Stromfluss durch den Zweig 36 nicht möglich ist. In dem parallelen Zweig 40 befindet sich eine zweite Sicherung 42, die ausgelöst wird, wenn der Strom durch den Zweig 40 einen vorgegebenen Nennwert übersteigt. Das Signal zum Auslösen der pyrotechnischen Sicherung 38 kann über einen dritten Anschluss 44 an die pyrotechnische Sicherung übertragen werden. Durch Bereitstellen des dritten Anschlusses 44 wird ermöglicht, die Sicherungseinheit 30 mit einem in der 2 nicht dargestellten Signalgeber zu verbinden. Die Sicherungseinheit 30 lässt sich in einem Gehäuse 46 unterbringen, wodurch sich die Handhabbarkeit der Sicherungseinheit 30 bei einer Montage verbessert.
Die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen zeigen, dass durch eine Parallelschaltung aus einer pyrotechnischen Sicherung und einer Schmelzsicherung die Möglichkeit geschaffen wird, die zum Starter führende Leitung auch nach dem Auslösen der pyrotechnischen Sicherung noch zur Versorgung selbst sicherheitsrelevanter Verbraucher zu nutzen, da die Schmelzsicherung erst ausgelöst wird, wenn tatsächlich ein Masseschluss in der Leitung vorliegt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10049071 A1 [0004]

Claims

Kraftfahrzeug (10) mit einer Quelle (12) für elektrische Energie und mit zumindest einem elektrischen Verbraucher (14), wobei die Quelle (12) und der Verbraucher (14) über eine erste Sicherung (16), welche in Abhängigkeit von einem Schaltsignal (S) auslösbar ist, miteinander elektrisch verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Quelle (12) und der Verbraucher (14) zusätzlich über eine der ersten Sicherung (16) parallel geschaltete zweite Sicherung (18) elektrisch verbunden sind.
Kraftfahrzeug (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schaltsignal (S) durch eine Einrichtung (22) zum Erkennen einer Kollision generierbar ist, die mit der ersten Sicherung (16) gekoppelt ist.
Kraftfahrzeug (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Sicherung (16) auch durch einen über sie fließenden Strom mit einer einen vorbestimmten Wert überschreitenden Stromstärke auslösbar ist.
Kraftfahrzeug (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrischer Verbraucher (14) ein Starter für einen Kraftfahrzeugmotor (20) ist.
Kraftfahrzeug (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass ein weiterer elektrischer Verbraucher (26) über die Parallelschaltung aus erster Sicherung (16) und zweiter Sicherung (18) mit der Quelle (12) verbunden ist.
Kraftfahrzeug (10) gemäß Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass der weitere elektrische Verbraucher (26) eine Komponente einer elektromechanischen Servolenkung oder einer elektronischen Fahrstabilisierung ist.
Kraftfahrzeug (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Quelle (12) für elektrische Energie in einem Kofferraum des Kraftfahrzeugs (10) angeordnet ist.
Sicherungseinheit (30) mit einem ersten Anschluss (32) und einem zweiten Anschluss (34), wobei der erste Anschluss (32) elektrisch über eine pyrotechnische Sicherung (38) mit dem zweiten Anschluss (34) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Anschluss (32) parallel zur pyrotechnischen Sicherung (38) über eine zweite Sicherung (42) elektrisch mit dem zweiten Anschluss (34) verbunden ist.
Sicherungseinheit (30) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicherungseinheit (30) einen dritten Anschluss (44) aufweist, über den ein Auslösesignal an die pyrotechnische Sicherung (38) übertragbar ist.
Verfahren zum Betreiben eines Starters (14) für einen Kraftfahrzeugmotor (20) mit einem Speicher (12) für elektrische Energie, der über eine Sicherung (18) mit dem Starter (14) verbunden ist, wobei die Sicherung (18) zusätzlich von einem Leitungsabschnitt überbrückt ist, der ein über ein geeignetes Signal (S) steuerbares Schaltelement (16) umfasst, mit den Schritten: – Betreiben des Starters (14) mit dem Speicher (12) für elektrische Energie bei geschlossenem Schaltelement (16), – Öffnen des Schaltelements (16) mittels eines Signals (S) zu einem Zeitpunkt nach dem Start des Kraftfahrzeugmotors (20).
Verfahren nach Anspruch 10 mit dem Schritt: – Generieren eines Signals (S) zum Öffnen des Schaltelements (16) mittels einer Einrichtung zum Erkennen einer Kollision.