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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Ansteuern und Vermessen einer adaptiven Deformationsstruktur, auf eine entsprechende Vorrichtung sowie auf ein entsprechendes Computerprogrammprodukt.
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Eine herkömmliche Deformationsstruktur für ein Fahrzeug stellt eine Deformationsstrecke bereit, in der eine vorbestimmte Menge an Aufprallenergie abbaubar ist. Durch die Deformation bei einem Aufprall wird die Deformationsstruktur dauerhaft plastisch verformt.
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Die
EP 1 792 786 A2 beschreibt eine Crashbox der herkömmlichen Art. Die Crashbox zur Eingliederung zwischen einem Stoßfängerquerträger und einem Fahrzeuglängsträger eines Kraftfahrzeugs, weist ein gehäuseartiges Deformationsprofil als Faltkonstruktion aus Metallblech und eine längsträgerseitige Flanschplatte auf. Die Flanschplatte ist als Bestandteil der Faltkonstruktion ausgebildet.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund wird mit der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Ansteuern und Diagnostizieren eines Ansteuerungsaktuators einer adaptiven Deformationsstruktur, weiterhin eine Vorrichtung zum Ansteuern und Diagnostizieren des Ansteuerungsaktuators einer adaptiven Deformationsstruktur, die dieses Verfahren verwendet sowie schließlich ein entsprechendes Computerprogrammprodukt zur Diagnostik und Ansteuerungsablauf gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
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Eine adaptive Deformationsstruktur (Crashstruktur oder Crashbox) kann auf Basis eines Verjüngungsabsorbers gestaltet werden. Durch die Zu- und Abschaltung von Matrizenplatten kann ein Verjüngungsdurchmesser des Verjüngungsabsorbers variiert werden und somit die Steifigkeit des Verjüngungsabsorbers angepasst werden.
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Die Matrizenplatten können mittels eines Wirbelstromaktuators zu- und abgeschaltet werden. Der wesentliche Vorteil eines Wirbelstromaktuators ist seine Schnelligkeit. Eine Leistungselektronik kann in dem Wirbelstromaktuator einen sehr kurzen Stromimpuls (im Mikrosekundenbereich) erzeugen, was dazu führt, dass ein an der Spule des Aktuators anliegendes Objekt sehr schnell „weggeschossen" werden kann. Das bewegte Objekt kann beispielsweise mehrere Millimeter in wenigen Millisekunden zurücklegen.
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Ein Wirbelstrom Sensor (WSS) als Wegaufnehmer arbeitet berührungslos induktiv nach dem Wirbelstromprinzip ohne mechanischen Verbindung zu einem Messobjekt. Er ist geeignet Abstände zu Objekten aus elektrisch leitenden Materialien, insbesondere solchen aus metallischen Werkstoffen zu messen. Die Ausgangsspannung (bzw. die gemessenen Impedanz) des Sensors ist ein Maß für den Abstand zwischen Sensorstirnfläche und Messobjekt.
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Die Spule des Wirbelstrom Sensors ist Teil eines LC-Hochfrequenz-Schwingkreises, der bei seiner Resonanzfrequenz schwingt. Wenn innerhalb des Magnetfeldes der Spule ein leitfähiges Messobjekt erscheint, wird darin ein Wirbelstrom induziert. Das Feld dieses Wirbelstroms beeinflusst auch das Feld der Erregerspule des Sensors. Dadurch wird die Schwingung des LC-Hochfrequenz-Schwingkreises beeinflusst und der Strom im Schwingkreis verändert sich. Diese Änderung kann über einen Demodulator, einen Trigger und einen Verstärker der Auswertungselektronik in ein Ausgangssignal umgewandelt werden. Durch die Geometrie des Magnetkreises des Sensors, die Materialien und seine Trägerfrequenz lassen sich die Charakteristik des Magnetfeldes und damit auch die Charakteristik des Sensors variieren.
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Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass ein Wirbelstromaktuator auch als Wirbelstromsensor eingesetzt werden kann. In einer adaptiven Crashbox kann so ein von dem Wirbelstromaktuator (abgestoßenes) wegzuschießendes Objekt ständig und genauestens überwacht werden, ohne einen zusätzlichen Sensor zu verwenden. Eine solche Kombination von Wirbelstromaktuator und Wirbelstromsensor wird vorliegend als Wirbelstrom-Sensuator bezeichnet.
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Vorteilhafterweise kann durch eine Verwendung eines Wirbelstromaktuators gleichzeitig als Abstandssensor in einer adaptiven Crashstruktur ein kostenintensiver Sensor entfallen und ein Ansteuerungsaufwand für die adaptive Crashstruktur verringert werden.
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Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zum Ansteuern und Vermessen einer adaptiven Deformationsstruktur mit einem Wirbelstrom-Sensuator, der eine elektrisch leitfähige Spule zum Emittieren und Detektieren eines elektromagnetischen Felds und ein, in einem Einflussbereich der Spule beweglich gelagertes, elektrisch leitfähiges Stellelement zum Einstellen einer Steifigkeit der adaptiven Crashstruktur aufweist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
Bereitstellen eines Spannungsimpulses an der Spule, ansprechend auf ein Ansteuersignal, um eine Position des Stellelements zu beeinflussen;
Beaufschlagen der Spule mit einem elektrischen Signal, um das elektromagnetische Feld der Spule und des Stellelements zu verändern; und
Ermitteln einer Gegeninduktion in der Spule, um die Position des Stellelements zu bestimmen.
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Unter einer adaptiven Deformationsstruktur kann ein Energieabsorber für Aufprallenergie verstanden werden, dessen Absorptionskennlinie verändert werden kann. Beispielsweise kann die adaptive Deformationsstruktur ein rohrförmiges Deformationselement aufweisen, das durch die Aufprallenergie durch eine Verjüngungsmatrize gepresst werden kann. Ein veränderbarer Verjüngungsquerschnitt der Verjüngungsmatrize kann dabei einen Grad der Verformung des Deformationselements beeinflussen. Je größer die Verformung ist, umso mehr Energie pro verformte Strecke wird absorbiert. Der Grad der Verformung kann beispielsweise über abstützbare Matrizenplatten bestimmt werden, die in unabgestütztem Zustand dem Deformationselement ausweichen können. Die Abstützung der Matrizenplatten kann über ein Stellelement erfolgen, das als Ring ausgebildet sein kann. Unter einem Sensuator kann eine Kombination aus einem Sensor und einem Aktuator verstanden werden. Gemäß dem hier vorgestellten Ansatz kann unter einem Wirbelstrom-Sensuator eine Kombination aus einem Wirbelstromsensor und einem Wirbelstromaktuator in demselben Funktionselement verstanden werden. Der Wirbelstromaktuator wird mit einem Spannungsimpuls aktiviert. Einhergehend mit dem Spannungsimpuls wird ein Stromimpuls generiert. Die Form des Stromimpulses ist von dem elektromagnetischen und mechanischen Parameter des Aktuators und der Trajektorie des abstoßenden Elementes abhängig. Der Spannungsimpuls kann Abstoßungskräfte oder Anziehungskräfte zwischen der Spule und dem Stellelement hervorrufen, die eine Position des Stellelements relativ zu der Spule beeinflussen können. Die Position des Stellelements kann eine Steifigkeit der Deformationsstruktur beeinflussen, beispielsweise, wie groß der Verjüngungsquerschnitt im Absorptionsfall eingestellt wäre. Ein elektrisches Signal kann ein Schwingungssignal sein. Beispielsweise kann das elektrische Signal die Spule und weitere Bauteile eines Schwingkreises in einem vorbestimmten Zustand zu Resonanz anregen. Das elektromagnetische Feld der Spule kann in Wechselwirkung mit dem Stellelement und einem im Stellelement hervorgerufenen elektromagnetischen Feld treten. Die Position des Stellelements kann die Resonanzfrequenz des Schwingkreises beeinflussen. Infolge der Gegeninduktion entsteht eine Beeinflussung der Resonanzfrequenz des Schwingkreises. Über Gegeninduktion erarbeitet die Software des WSS Rückschlüsse auf die Position des Stellelements relativ zu der Erregerspule.
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Vorteilhaft kann das Beaufschlagen der Sensierungs-Spannung ausgesetzt werden, wenn der Spannungsimpuls, insbesondere ein Aktuierungs-Hochspannungspuls bereitgestellt wird. Durch eine Unterbrechung des Bereitstellens des elektrischen Signals (Sensierungs-Spannung) kann eine Interferenz zwischen dem Spannungsimpuls und dem elektrischen Signal vermieden werden. Dadurch kann die Position des Stellelements genauer bestimmt werden.
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Das Beaufschlagen und/oder das Ermitteln können ansprechend auf einen Ablauf einer vorbestimmten Zeitspanne nach dem Bereitstellen des Spannungsimpulses erfolgen. Durch einen zeitlichen Sicherheitsabstand können Schäden an dem Schwingkreis vermieden werden, da der Aktuierungs-Hochspannungsimpuls eine um Größenordnungen größere Amplitude aufweisen kann, als das elektrische Signal.
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Das Beaufschlagen und/oder das Ermitteln können in einem vorgegebenen zeitlichen Abstand wiederholt werden. Beispielsweise kann das elektrische Signal getaktet bereitgestellt werden, um diskrete Messergebnisse für die Position des Stellelements zu erhalten. Dadurch kann in einem übergeordneten Steuergerät ein Zustand der Deformationsstruktur überwacht werden.
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Das Beaufschlagen und/oder das Ermitteln können ansprechend auf einen vorbestimmten Betriebszustand erfolgen. Unter einem vorbestimmten Betriebszustand kann beispielsweise eine Aktivierung eines Fahrzeugmotors verstanden werden. Damit kann vor Fahrtbeginn eine Funktionstüchtigkeit der Deformationsstruktur überprüft werden. Ebenso kann dann ein Spannungsimpuls an die Spule angelegt werden, um eine Beweglichkeit des Stellelements zu überprüfen.
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Ferner kann das Verfahren einen Schritt des Bestimmens eines Kontaktwiderstands zwischen dem Stellelement und zumindest einem Bestandteil der Spule umfassen, um eine Ruheposition des Sperrelements zu erkennen. Unter einem Kontaktwiderstand kann ein direkter elektrischer Widerstand zwischen zwei Bauteilen verstanden werden. Beispielsweise kann der Kontaktwiderstand zwischen einer Anlagefläche des Stellelements und einer Anlagefläche der Spule oder einer Spulenbaugruppe ermittelt werden. Der Kontaktwiderstand kann Auskunft über ein Erreichen einer Ruhestellung des Stellelements geben. Beispielsweise während eines Regelbetriebs kann so ohne Mess- und Regelaufwand überwacht werden, ob das Stellelement in der Ruhestellung ist, oder ob das Stellelement unvorhergesehen verrutscht ist. Dann kann ein Spannungsimpuls bereitgestellt werden, um das Stellelement erneut in die Ruhestellung zu bewegen.
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Im Schritt des Ermittelns kann zeitversetzt eine weitere Gegeninduktion ermittelt werden, um eine Positionsveränderung des Stellelements zu bestimmen. Mittels eines Werts einer weiteren Gegeninduktion kann eine Differenz zwischen der Gegeninduktion und der weiteren Gegeninduktion ermittelt werden. Daraus kann eine Positionsveränderung ermittelt werden, die Aufschluss über eine Bewegung des Stellelements zum Messzeitpunkt geben kann.
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Im Schritt des Ermittelns kann eine Bewegungsrichtung des Sperrelements bestimmt werden. Eine Bewegungsrichtung kann ein Entfernen des Sperrelements von der Spule oder ein Annähern des Sperrelements an die Spule sein. Durch eine Unterscheidung zwischen Annähern und Entfernen kann ein Bewegungsablauf des Sperrelements nach einen Spannungsimpuls Überwacht werden und für eine Funktionsanalyse verwendet werden.
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Im Schritt des Ermittelns kann die Position mit einer Sollposition verglichen werden, um eine Positionsabweichung zu ermitteln. Unter einer Sollposition kann eine hinterlegte Position verstanden werden, die unter beispielsweise Idealbedingungen ermittelt worden ist. Durch eine Positionsabweichung kann ein veränderter Zustand der Verstelleinrichtung der Deformationsstruktur erkannt werden, und vorbeugend Wartungsmaßnahmen vorgeschlagen werden, wenn die Positionsabweichung größer als eine Abweichungstoleranz ist.
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Ferner kann das Verfahren einen Schritt des Aufzeichnens einer Mehrzahl von Positionen des Stellelements über einen Zeitraum umfassen, um einen Positionsverlauf zu ermitteln. Unter einem Positionsverlauf kann ein zeitlicher Verlauf der Position des Sperrelements ansprechend auf einen Spannungsimpuls verstanden werden. Der Positionsverlauf kann Rückschlüsse auf Probleme in der Deformationsstruktur zulassen. Der Positionsverlauf kann mit einem hinterlegten Positionsverlauf verglichen werden. Der Positionsverlauf kann in einem übergeordneten Steuergerät gespeichert werden, um im Verlauf einer späteren Instandhaltungsmaßnahme einen Zustand der Deformationsstruktur vergleichen und auswerten zu können.
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Die vorliegende Erfindung schafft ferner eine Vorrichtung, die ausgebildet ist, um die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens in entsprechenden Einrichtungen durchzuführen bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form einer Vorrichtung kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.
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Unter einer Vorrichtung kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Steuersignale ausgibt und in Abhängigkeit davon Sensorsignale verarbeitet. Die Vorrichtung kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen der Vorrichtung beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
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Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, wenn das Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird. Dabei sind die Parameter des Programms an jeweilige Fahrzeuge anpassbar.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine Teildarstellung einer adaptiven Deformationsstruktur mit einem Sensuator gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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2 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Ansteuern und Vermessen einer adaptiven Deformationsstruktur mit einem Wirbelstrom-Sensuator gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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3 eine Darstellung einer Spule für einen Sensuator gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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4 eine Darstellung eines prinzipiellen Aufbaus einer Aktuator / Sensor Kombination gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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5 eine Darstellung einer Verschaltung eines Wirbelstromsensors und eines Wirbelstrom Aktuators gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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6 einen Aufbau und Schaltlogik eines Wirbelstromsensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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7 ein Diagramm von Zeitverläufen von Spulenspannung, Spulenstrom und dem Weg der Membran bei Verwendung eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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8 Diagramm eines Bewegungsablaufs und von Sensierungsbereichen für ein Sperrelement eines Sensuators gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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9 Diagramm eines hinterlegten Toleranzfelds einer Membranposition gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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10a, 10b, 10c je einen zeitlichen Verlauf einer Crashsensierung, einer Aktivierung eines Wirbelstromaktuators und einer Aktivierung einer Sensierung einer Ringposition gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
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11 ein Flussdiagramm eines Diagnostik Ablaufs für einen Sensuator gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
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1 zeigt eine Teildarstellung einer adaptiven Deformationsstruktur 100 mit einem Sensuator 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Deformationsstruktur 100 weist ein Rohr als Deformationselement 104, eine feste Matrize 106, eine Ausrückmatrize 108 und einen Ring 110 als Sperrelement auf. Die Deformationsstruktur 100 ist dazu ausgebildet Aufprallenergie aus einer Aufprallrichtung oder Crashrichtung 112 zu absorbieren. Der Sensuator 102 umfasst zumindest eine Spule 114 und den Ring 110. Der Ring 110 ist beweglich gelagert und dazu ausgebildet, die Ausrückmatrize 108 abzustützen, wenn der Ring 110 in einer Ruhestellung an der Spule 114 anliegt. Der Ring 110 ist dazu ausgebildet, in einer zweiten Position die Ausrückmatrize 108 freizugeben. Der Ring 110 ist elektrisch leitfähig und befindet sich in einem elektromagnetischen Einflussbereich der Spule 114. Die Spule 114 ist über Litzen 116 elektrisch kontaktierbar. Wenn kein Aufprall stattfindet befindet sich der Ring 110 in der Ruhestellung. Dort verhindert er das Ausrücken der Ausrückmatrize 108. Damit weist die Deformationsstruktur 100 ihre maximale Auslegungssteifigkeit (Defaultsteifigkeit) auf. Am Beispiel eines Aufpralls mit niedriger Geschwindigkeit kann die Funktionsweise der Verjüngungscrashbox 100 erklärt werden. Wenn ein Aufprall mit niedriger Geschwindigkeit detektiert wird (low speed crash) bewegt der Sensuator 102 den Ring 110 aus der Ruhestellung heraus weg. Dann ist die Ausrückmatrize 108 frei. Wenn dann das Rohr 104 durch die Deformationsstruktur 100 gedrückt wird, wird das Rohr nur von der festen Matrize 106 verjüngt. Die nicht abgestützte Ausrückmatrize 108 kann der Belastung durch das Rohr 104 nicht standhalten und zerbricht an ihren Sollbruchstellen. Die freien Segmente der Ausrückmatrize 108 verschieben sich nach außen. Unter einem Low Speed Crash kann man sich eine Kollision mit niedriger Geschwindigkeit vorstellen. Zum Beispiel im Geschwindigkeitsband von ca. 0 km/h bis ca. 16 km/h.
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Der Sensuator 102 ist eine Kombination aus Aktuator und Sensor. Wenn der Sensuator 102 von einem Spannungsimpuls durchflossen wird, baut die Spule 114 ein starkes elektromagnetisches Feld auf. Das Feld baut sich so schnell auf, dass ein Stellelement (Ring) 110 dem Feld ausweicht. Das Stellelement 110 wird weggeschossen. Am Beispiel der adaptiven Verjüngungs-Crashbox 100 ist das wegzuschießende Objekt der Ring 110, der die Ausrückmatrize 108, die mit Sollbruchstellen versehen ist, festhält. Kommt ein Stromimpuls an der Spule 114 des Wirbelstromaktuators und Sensors 102 an, wird der Ring 110 weggeschossen. In diesem Fall ist die Ausrückmatrize 108 nicht mehr am Umfang festgehalten und die Sollbruchstellen brechen. Das Rohr 104 wird nur durch die feste Matrize 106 verjüngt, die Ausrückmatrize 108 wirkt nicht, was zu einer niedrigen Steifigkeit der Crashbox 100 führt.
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Bei der Detektion eines normalen Crashs, wird der Ring 110 nicht weggeschossen, die Ausrückmatrize 108 wird vom Ring 110 gehalten. Sowohl die feste als auch die Ausrückmatrize 106, 108 verjüngen das Rohr 104, die Crashbox 100 weist damit eine hohe Steifigkeit auf. Das vorgestellte Aktuierungsprinzip kann neben der Verjüngungs-Crashbox 100 an alle Wirkprinzipien der Umformung wie z.B. Falten, Abschaben, Aufweiten, Inversion, Längung usw. angepasst werden. Auch das vom Wirbelstromaktuator und Sensor 102 wegzuschießende Objekt kann außer einem Ring 110 auch andere Formen aufweisen, es kann beispielsweise ein Bolzen sein. Es können auch mehrere Objekte weggeschossen werden.
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Da die adaptive Crashbox 100 ein sicherheitsrelevantes Teil ist, gelten hohe Anforderungen an ihre Zuverlässigkeit. Dies führt dazu, dass eine Diagnose des Zustands erforderlich ist. Eine Variante der Diagnose ist der Selbsttest. Beispielsweise kann bei jedem Motorstart der Aktuator 102 bestromt werden, so dass die sichere Bewegung des Rings 110 diagnostiziert werden kann.
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Um die Position des weggeschossenen Objekts zu bestimmen kann ein separater Sensor verwendet werden, was erhöhte Kosten mit sich bringt. Eine andere Möglichkeit die Position zu bestimmen ist eine Schätzung bzw. Berechnung. Die Aktuierungsleistung bzw. Aktuierungsenergie ist bekannt, somit kann die Position des weggeschossenen Objekts geschätzt werden, dies ist relativ ungenau und die Position des Objekts kann in Ruhestellung nicht überwacht werden.
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Der Sensor 102 besteht aus einer Luftspule 114 und einem Stellelement 110, hier als Ring 110 oder Membran bezeichnet, die gleichzeitig die Komponenten des Wirbelstromaktuators 102 sind. Sie erfühlen damit beide Funktionen. Die Spule 114 weist kein Ferromagnetikum im Magnetkreis auf und hat deshalb keinen eingeschränkten Frequenzbereich, damit ist sie für die hier geforderten, schnellen Verfolgung der Membranbewegungen des Wirbelstromaktuators 102 geeignet.
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In der vorliegenden Applikation kann die Erregerfrequenz des Sensors 102 als Trägerfrequenz mehr als 100 kHz bis 5 MHz betragen (wegen der Signalgrößen, Empfindlichkeit und der zeitlichen und räumlichen Auflösung der Membran 110).
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Die vorgeschlagene Anordnung beinhaltet also eine integrierte Wirbelstrom-Aktuator/Sensor Kombination 102. In diesem System dienen die elektromagnetischen Komponenten 114 zum Antreiben des Ankers 110 und gleichzeitig zur seiner Positionsermittlung. Beide Funktionen können sequenziell, in definierten Zeitfenstern nacheinander ausgeführt werden. Die Sensorfunktion kann dann, in einem eigenen Zeitfenster ausgeführt werden, wenn die Erregerspule 114 nicht mehr bestromt wird bzw. ein Versorgungskreis der Erregerspule 114 keine Verbindung zu dem Hochspannungsteil eines Steuergeräts hat.
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Die Zeiten der „Nichtbestromung" können sich wiederum in mögliche Zustände unterteilen. Beispielsweise in den Ruhezustand mit dem Ring 110 in Nullposition. dann liegt der Ring 110 an, x(t) = 0. Beispielsweise in einen erregten Zustand, in dem der Ring 110 sich vorwärts bewegt, er entfernt sich von der Spule 114, nach dem die Zeit der Nichtbestromung TSDe abgelaufen ist. Beispielsweise in einen abfallenden Zustand, in dem der Ring 110 sich rückwärts in Richtung Spule 114 bewegt, er nähert sich seiner Ruheposition.
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Bei einem Fahrzeug, dass mit einer adaptiven Crashstruktur 100 in Kombination mit einem Wirbelstromaktuator 102 ausgestattet ist, kann falls eine Diagnose der Ringposition vorhanden ist, die Möglichkeit bestehen, eine eventuelle Fehlfunktion dem Fahrer mitzuteilen (z.B. durch eine Meldung im Kombiinstrument). Ist ein separater Sensor vorhanden kann ebenfalls die Möglichkeit bestehen, die Fehlfunktion dem Fahrer mitzuteilen. Ist kein separater Sensor vorhanden, aber dafür sind zusätzliche elektronische Bauteile für die Sensierung in der Nähe des Wirbelstromaktuators 102 vorhanden, kann das hier vorgestellte Verfahren Verwendung finden.
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2 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 200 zum Ansteuern und Vermessen einer adaptiven Deformationsstruktur mit einem Wirbelstrom-Sensuator gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren 200 kann zur Ansteuerung eines Sensuators wie er in 1 dargestellt ist, angewendet werden. Das Verfahren 200 weist einen Schritt des Bereitstellens 202, einen Schritt des Beaufschlagens 204 und einen Schritt des Ermittelns 206 auf. Der Sensuator weist eine elektrisch leitfähige Spule zum Emittieren und Detektieren eines elektromagnetischen Felds auf. Weiterhin weist der Sensuator ein, in einem Einflussbereich der Spule beweglich gelagertes, elektrisch leitfähiges Stellelement zum Einstellen einer Steifigkeit der adaptiven Crashstruktur auf. Im Schritt des Bereitstellens 202 wird ein Spannungsimpuls an der Spule ansprechend auf ein Ansteuersignal bereitgestellt, um eine Position des Stellelements zu beeinflussen. Im Schritt des Beaufschlagens 204 der Spule mit einem elektrischen Signal wird die Spule mit einem elektrischen Signal beaufschlagt, um das elektromagnetische Feld der Spule und des Stellelements zu verändern. Im Schritt des Ermittelns 206 wird eine Gegeninduktion in der Spule ermittelt, um die Position des Stellelements zu bestimmen.
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Mit dem hier vorgestellten Verfahren 200 kann nicht nur diagnostiziert werden, dass der Selbsttest erfolgreich (oder nicht) durchgeführt wurde, sondern auch, wenn sich während der Fahrt der Ring falsch positionieren sollte, oder wenn nach einer Fehlauslösung der Ring wieder in seiner Ursprungsposition zurückkehrt.
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Wenn der Wirbelstromaktuator nur eine Spule vorsieht, ist es vorteilhaft, diese nicht gleichzeitig für die Aktuierung und für die Sensierung zu verwenden. Die Aktuierungszeit oder Aktuierungszeiten, wenn Selbsttest und Fehlauslösungen berücksichtigt werden, sind in einer Fahrzeuglebensdauer und sehr gering (wenige Millisekunden). Wenn die Diagnose, also die Sensierung der Ringposition unterbrochen wird, weil eine Aktuierung (Fehlauslösung / Steifigkeitsverstellung wegen low speed crash) notwendig ist, ist die allgemeine Systemsicherheit nicht beeinträchtigt. Vielmehr können einfachere Elektronikkomponenten verwendet werden, die während einer Aktuierung isoliert werden. Dadurch müssen die Bestandteile des Sensorschwingkreises nicht hochspannungsfest sein, und ermöglichen damit eine bedeutende Kostensenkung.
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Die Überwachung und die Diagnostik des Wirbelstromaktuators basiert auf einer Überprüfung der Mustersequenz seiner Bewegung nach einem Testimpuls. Die Testimpulse können in vorbestimmten Zeitfolgen oder Fahrzeug-Zuständen erfolgen und den Zustand des Aktuators überprüfen (z.B. bei „Zündung an"). Die Meldung an das übergeordnete Steuergerät und an den Fahrer soll rechtzeitig erfolgen um im Falle eine Abweichung entsprechende Maßnahmen einzuleiten. Es gibt auch eine Möglichkeit eine gestufte Warnung zu generieren, wenn die Funktion des Aktuators zwar noch gegeben ist, aber von dem gespeicherten Musterablauf auf eine durch den Fahrzeughersteller vorgeschriebene Weise abweicht. Dadurch kann dem Fahrer die Zeit und Möglichkeit gegeben werden, rechtzeitig die Werkstatt zu besuchen.
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Der genannte Testablauf kann in einem Zyklus ablaufen. Die Toleranzfelder für die Positions-Impedanzfunktion können experimentell ermittelt werden und im Speicher des Steuergerätes abgelegt werden. Jeweilige Abweichungen von diesem Kennfeld können als Fehler im dem Diagnostikablauf dokumentiert werden.
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3 zeigt eine Darstellung einer Spule 114 für einen Sensuator gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Spule 114 ist ringförmig und zweilagig, um ein stärkeres Magnetfeld bereitstellen zu können. Durch das stärkere Magnetfeld kann eine schnellere Aktuatordynamik erreicht werden. Radial zur Spule 114 sind Litzen 116 zum Versorgen der Spule 114 angeordnet.
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4 zeigt eine Darstellung eines prinzipiellen Aufbaus einer Aktuator / Sensor Kombination gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Eine Spule 114 ist konzentrisch zu einem Ring 110, der als Membran ausgebildet ist angeordnet. Die Spule ist einerseits mit einer Aktuator-Ansteuerungseinheit 400 verbunden und andererseits mit einer Sensorversorgungseinheit 402. Die Aktuator-Ansteuerungseinheit 400 ist auch mit der Sensorversorgungseinheit 402 verbunden. Die Sensorversorgungseinheit 402 weist einen Oszillator 404, einen Demodulator 406, einen Trigger 408 sowie einen Verstärker 410 auf. Der Verstärker 410 ist dazu ausgebildet, ein Ausgangssignal 412 bereitzustellen.
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Wenn die Aktuator-Ansteuerungseinheit 400 einen Spannungsimpuls an der Spule 114 anlegt wird die Membran 110 um einen Ankerweg x von der Spule 114 weggeschossen. Die Sensorversorgungseinheit 402 erfasst den Ankerweg x und stellt als Ausgangssignal 412 eine Information bereit, die den Ankerweg x als Messwert repräsentiert. Um Den Ankerweg x zu messen wird die Spule 114 von dem Oszillator 404 mit einer hochfrequenten Wechselspannung versorgt, um ein elektromagnetisches Wechselfeld zu erzeugen. Das Wechselfeld durchdringt die Membran 110 und verursacht in der Membran 110 ein weiteres elektromagnetisches Wechselfeld. Das Wechselfeld der Membran 110 beeinflusst wiederum das Wechselfeld der Spule 114 und verändert damit eine Resonanzfrequenz des schwingungsfähigen Systems aus Oszillator 404 und Spule 114. Aufgrund der veränderten Resonanzfrequenz fließt ein angepasster Wechselstrom durch die Spule 114. Eine maximale Stromstärke ist dabei repräsentativ für den Ankerweg x.
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Der Demodulator 406 bestimmt den maximalen Stromfluss und stellt einen Wert des maximalen Stromflusses bereit. Aufgrund einer fortlaufenden Bewegung der Membran 110 relativ zu der Spule 114 verändert sich der Wert des maximalen Stromflusses. Der Demodulator 406 stellt dann eine Hüllkurve des fließenden Stroms bereit. Der Trigger 408 wertet die Hüllkurve auf steigende und fallende Signalanteile aus, um eine Bewegungsrichtung der Membran 110 zu bestimmen. Der Verstärker bildet aus der Bewegungsrichtung und der Hüllkurve das Ausgangssignal 412.
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5 zeigt eine Darstellung einer Verschaltung eines Wirbelstromsensors (WSS) und eines Wirbelstrom Aktuators gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Eine Aktuator-Ansteuerungseinheit 400 ist parallel zu einer Wirbelstromsensorversorgungseinheit WSS und einer Spannungserkennungseinheit 500 geschalten und mit einer Spule 114 verbunden. Die Aktuator-Ansteuerungseinheit 400 umfasst einen Impulskondensator Ck und eine Kondensator Ladeeinheit 502 sowie einen Schalter (vorzugsweise eine Thyristor) als Schalter Tk und eine Diode Dk. Der Kondensator Ck, die Kondensator Ladeeinheit 502 und die Diode Dk sind parallel geschalten. Der Schalter Tk ist vor einem Ausgang der Aktuator-Ansteuerungseinheit 400 angeordnet. In einer Zuleitung der Wirbelstromsensorversorgungseinheit WSS ist ein Relais angeordnet. Das Relais wird von einer Sperrlogik 504 gesteuert. Die Sperrlogik 504 ist mit der Spannungserkennungseinheit 500 verbunden. Ebenso empfängt die Sperrlogik 504 einen Zündimpuls 506 für den Schalter Tk. Wenn der Kondensator Ck durch ein Aktivieren des Schalters Tk entladen wird, lässt die Sperrlogik 504 das Relais abfallen, um die Wirbelstromsensorversorgungseinheit WSS vor einer Überspannung zu schützen. Dann fließt ein Kondensatorstrom ik durch die Spule 114 und erzeugt ein elektromagnetisches Feld Lk und Rk, das einen Ring, eine Membran oder einen Anker 110 um einen Weg X(t) abstößt, indem in dem Ring ein Wirbelstrom Iw(t) induziert wird. Nach dem Spannungsimpuls aus dem Kondensator Ck lässt die Sperrlogik 504 das Relais wieder anziehen und die Wirbelstromsensorversorgungseinheit WSS kann den Weg X(t) erfassen und als gemessenen Weg X(t) bereitstellen.
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6 zeigt einen Aufbau und Schaltlogik eines Wirbelstromsensors (WSS) gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Wie in 5 schaltet die WSS Sperrlogik 504 die Versorgung 600 und Auswertung 602 des Wirbelstromsensor WSS während der Aktuationszeit aus. Ebenso wie in 5 trennt ein Schalter 604 einen Kondensator und eine Diode von einer Spule 114. Die Spule 114 ist in einem Spulenkörper 606 angeordnet. Der Spulenkörper 606 ist hier in einem Schnitt durch Teile eines Aktuators dargestellt. Der Spulenkörper 606 weist einen leitenden Ring 608 in einer Kontaktfläche des Spulenkörpers auf. Eine Auswerteeinheit 610 wertet einen Kontaktwiderstand zwischen dem Spulenkörper 606 und einer Membran 110 aus. Wenn die Membran 110 anliegt kann der Kontaktwiderstand 612 ermittelt werden. Wenn die Membran 110 nicht am Spulenkörper 606 anliegt ist der Kontaktwiderstand 612 viel größer als wenn die Membran 110 an dem Spulenkörper 606 anliegt, bzw. der Kontaktwiderstand 612 ist unendlich groß. Die Auswerteeinheit 610 stellt ein Signal über den Kontaktwiderstand 612 für die Sperrlogik 504 bereit. Weiterhin empfängt die Sperrlogik 504 eine Information über eine Bordnetzspannung 614, eine Information über eine Fahrzeuggeschwindigkeit 616, eine Information über einen Stromfluss 618 durch die Spule 114, eine Information über eine Spannung 620 an der Spule 114, und eine Information über eine Kondensatorspannung 622. Die Auswerteeinheit 602 für den Wirbelstromsensor WSS erkennt Lage und Bewegungsrichtung des Rings 110 und stellt diese Information für ein Steuergerat 624 bereit.
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7 zeigt ein Diagramm von Zeitverläufen von Spulenspannung u(t), Spulenstrom i(t) und dem Weg der Membran x(t) bei Verwendung eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Auf der Abszisse ist die Zeit t in µs angetragen. Auf der Ordinate sind der Weg X, die Spannung u und der Strom i angetragen. Vor einem Zeitpunkt t = 0 ist ein Kondensator geladen. Am Kondensator liegt eine Kondensatorspannung an. Zum Zeitpunkt t = 0 wird der Kondensator über eine Spule kurzgeschlossen. Ein Spannungsimpuls u(t) wird ausgelöst. Die Spannung am Kondensator fällt innerhalb von ca. 40 µs exponentiell gegen null ab. Zum Zeitpunkt t=0 fließt durch die Spule kein Strom. Nachdem der Kondensator kurzgeschlossen ist steigt der Strom zu einem Stromimpuls il(t) stark an, erreicht zum Zeitpunkt Tmax einen Höhepunkt und fällt danach stark ab. Nach einem Überschwinger in umgekehrte Stromrichtung fließt gleichzeitig zum Erreichen von null Volt Spannung am Kondensator auch kein Strom mehr durch die Spule. Der Kondensator wird in diesem Beispiel innerhalb einer Aktuierungszeit TAct von weniger als ca. 40 µs entladen. Während der Stromimpuls il(t) fließt wird die Membran aus einer Ausgangslage X = 0 von der Spule abgestoßen und beschleunigt. Anschließend bewegt sich die Membran aufgrund ihrer Massenträgheit ballistisch. Nachdem der Kondensator entladen ist wird die Lage der Membran von dem Wirbelstromsensor erfasst und verfolgt. Insbesondere wenn die Membran unter der Wirkung der Rückstellfeder in die Ausgangslage zurückkehrt, wird durch den Wirbelstromsensor das sichere Erreichen der Ausgangslage überwacht. Der Zeitraum bis die Membran in die Ausgangslage zurückkehrt ist um Zehnerpotenzen größer als die Aktuierungszeit TAct, deshalb ist die Lage der Membran x(t) komprimiert dargestellt.
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8 zeigt ein Diagramm eines Bewegungsablaufs und von Sensierungsbereichen für ein Sperrelement eines Sensuators gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Auf der Abszisse ist die Zeit angetragen, auf der Ordinate ist der Weg x(t) und die ermittelte Stromstärke der Gegeninduktion Y[x(t)] angetragen. Dabei wird der Weg in einem Zeitraum TSens gemessen, nachdem ein Spannungsimpuls eines Kondensators über einen Zeitraum TSDe abgeklungen ist. Das Sperrelement vollzieht während und nach dem Spannungsimpuls eine Vorwärtsbewegung 800 und anschließend eine Rückwärtsbewegung 802. Die Bewegungen sind in einer Hüllkurve der Admitanz Y[x(t)] wiedergegeben. Während der Bewegung hat die gemessene Impedanz bzw. Admitanz Y[x(t)] zwei Mal in der gleichen Position 1 und 2 annähernd den gleichen Wert. Einmal in der Vorwärtsbewegung 800 und einmal in der Rückwärtsbewegung 802. Eine logische Schaltung kann über die Bewegungsrichtung und damit das Vorzeichen der Ableitung dx/dt einer Auswertung mit Richtungserkennung entscheiden.
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9 zeigt ein Diagramm eines hinterlegten Toleranzfelds 900 einer Membranposition gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Auf der
Abszisse ist die Membranposition ∆x in mm angetragen, auf der Ordinate ist eine
Gegeninduktion Z, R, L in Ohm angetragen. Das Toleranzfeld 900 erstreckt sich beiderseits einer Ursprungsgeraden, die eine idealisierte Gegeninduktion bei veränderlicher Position der Membran repräsentiert. Zusätzlich ist ein Zeitfenster Timp angetragen, das eine Pulsdauer eines Spannungsimpulses repräsentiert, während dem die Membran beschleunigt wird. Das Zeitfenster Timp beginnt bereits vor der Bewegung der Membran, um eine Verzögerte Reaktion der Membran aufgrund einer Massenträgheit der Membran zu repräsentieren.
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10a zeigt einen zeitlichen Verlauf einer Crashsensierung 1000 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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10b zeigt einen zeitlichen Verlauf einer Aktivierung eines Wirbelstromaktuators 1002 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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10c zeigt einen zeitlichen Verlauf einer Aktivierung einer Sensierung einer Ringposition 1004 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Sensierung der Ringposition 1004 ist fast immer aktiv.
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Die 10a bis 10c bilden auf den Abszissen jeweils den Zeitverlauf (Laufzeit) ab und sind so zueinander angeordnet, dass gleiche Zeitpunkte übereinander ausgerichtet sind. Auf den Ordinaten bilden die Figuren jeweils einen aktiven Zustand und einen inaktiven Zustand ab. An einem ersten Beispielzeitpunkt (dargestellt durch eine erste gestrichelte Linie senkrecht zu den Zeitverläufen) wird ein Systemverhalten anhand einer Fehlauslösung dargestellt. An einem zweiten Beispielzeitpunkt (dargestellt durch eine zweite gestrichelte Linie senkrecht zu den Zeitverläufen) wird ein Systemverhalten anhand eines Aufpralls mit niedriger Geschwindigkeit (low speed crash) dargestellt. Die Crashsensierung in 10a ist vor, während und nach den Beispielzeitpunkten durchgehend im aktiven Zustand. Der Wirbelstromaktuator 1002 aus 10b ist jeweils vor den Beispielzeitpunkten in inaktivem Zustand. Direkt anschließend an die Beispielzeitpunkte ist der Wirbelstromaktuator 1002 kurz aktiv, um danach erneut im inaktiven Zustand zu verharren. Die Sensierung der Ringposition 1004 aus 10c ist jeweils bis zu den Beispielzeitpunkten aktiv, direkt in Anschluss an die Beispielzeitpunkte ist die Sensierung der Ringposition 1004 inaktiv, bis eine vorbestimmte Zeit nach der Deaktivierung des Wirbelstromaktuators 1002 verstrichen ist. Danach ist die Sensierung der Ringposition 1004 erneut aktiv.
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11 zeigt ein Flussdiagramm eines Diagnostik Ablaufs für einen Sensuator (Aktuator-Sensor-Kombination) gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Ansprechend auf ein Test Start Signal 1100 erfolgt eine Prüfung eines Kontaktwiderstands oder einer Kontaktimpedanz 1102 zwischen dem Sperrelement und der Spule aus 6. Wenn der Kontaktwiderstand außer Toleranz 1104 ist wird ein Signal an ein Steuergerät 1106 gesandt. Wenn der Kontaktwiderstand innerhalb der Toleranz ist wird eine Aktuationszeit TSDe abgewartet 1108 und das Steuergerät 1106 gibt ein Signal zum Start 1110 eines Zählers 1112 bei T = 0 aus. Anschließend werden eine Impedanz und/oder eine Zeit vorwärts gemessen 1114. Wenn die Impedanz und/oder die Zeit vorwärts außer Toleranz sind erfolgt eine Fehlermeldung 1116 und. Wenn die Impedanz und/oder die Zeit vorwärts innerhalb der Toleranz sind, wird der aktuelle Zählerstand bereitgestellt und werden eine Impedanz und/oder eine Zeit rückwärts gemessen 1118. Wenn die Impedanz und/oder die Zeit rückwärts außer Toleranz sind erfolgt eine Fehlermeldung 1120. Wenn die Impedanz und/oder die Zeit rückwärts innerhalb der Toleranz sind wird der aktuelle Zählerstand bereitgestellt und erfolgt eine erneute Prüfung eines Kontaktwiderstands oder einer Kontaktimpedanz 1122 zwischen dem Sperrelement und der Spule. Wenn der Kontaktwiderstand außer Toleranz ist wird eine Fehlermeldung 1124 bereitgestellt. Wenn der Kontaktwiderstand innerhalb der Toleranz ist wird der Zähler zurückgesetzt 1126 und ein Ergebnis der Diagnose erstellt 1128. Wenn das Ergebnis außer Toleranz ist wird eine Fehlermeldung 1130 bereitgestellt. Wenn das Ergebnis innerhalb der Toleranz ist, wird das Ergebnis 1132 für das Steuergerät 1106 bereitgestellt.
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Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden.
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Ferner können erfindungsgemäße Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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