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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einer Befestigungsanordnung für eine Sensoranordnung nach der Gattung des unabhängigen Patentanspruchs 1, und von einer korrespondierenden Sensoranordnung für ein Kraftfahrzeug nach der Gattung des unabhängigen Patentanspruchs 6.
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In modernen Kraftfahrzeugen werden aktive und passive Sicherheitssysteme, wie beispielsweise Rückhaltesysteme, wie z.B. Airbags, Gurtstraffer usw., sowie Systeme zur Regelung der Fahrdynamik, wie z.B. ESP (Elektronisches Stabilitätsprogramm), ABS (Antiblockiersystem) usw. eingesetzt. Ein wesentlicher Bestandteil solcher Systeme sind Inertialsensoren, welche für die Messung von Beschleunigungen und/oder von Gier- bzw. Drehraten des Kraftfahrzeugs verwendet werden und bevorzugt als mikromechanische bzw. mikroelektromechanische Sensoren ausgeführt sind. Im Betrieb werden solche Sensoren durch eine geeignete mechanische Anregung in oszillierende Bewegungen versetzt, und auftretende Kräfte und/oder Beschleunigungen werden gemessen und ausgewertet.
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In der
DE 10 2006 002 350 A1 wird eine Inertialsensoranordnung, insbesondere zur Montage in einem Kraftfahrzeug beschrieben. Die beschriebene Inertialsensoranordnung umfasst ein auf einem Träger angebrachtes Sensormodul, das einen mikromechanisch hergestellten Inertialsensor und eine Auswerteschaltung umfasst. Das Sensormodul ist durch ein elastisches Koppelelement mit dem Träger verbunden.
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In der
DE 10 2007 062 700 A1 wird eine Sensoranordnung beschrieben, welche eine Grundplatte, ein Sensormodul, ein Dämpfungselement und einen Halterahmen umfasst. Die Grundplatte weist eine Haupterstreckungsebene und eine zur Haupterstreckungsebene senkrechte Aussparung auf, wobei der Halterahmen in der Aussparung befestigt ist. Zwischen Halterahmen und der Aussparung ist ein Dämpfungselement angeordnet, wobei das Sensormodul formschlüssig und kraftschlüssig in den Halterahmen eingepresst ist. Das Sensormodul weist wenigstens einen Anschlusspin auf, welcher außerhalb des Sensormoduls eine Anschlussfläche aufweist, welche im Wesentlichen parallel zur Haupterstreckungsebene ausgebildet ist. Die Anschlussfläche ist mit einem Bonddraht elektrisch leitfähig kontaktiert.
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Offenbarung der Erfindung
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Der erfindungsgemäße Schwingungsdämpfer für eine Sensoreinheit mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass Resonanzen in der Haupterstreckungsebene des Schwingungsdämpfers durch richtungsabhängige Steifigkeiten gedämpft werden.
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Bei der Verwendung des erfindungsgemäßen Schwingungsdämpfers in einer Sensoreinheit für ein Kraftfahrzeug kann die Bewegung einer Halteplatte in den Eigenschwingungsformen in vorteilhafter Weise reduziert und der eingebaute mikromechanische bzw. mikroelektromechanische Sensor, der vorzugsweise als Beschleunigungssensor ausgeführt ist, nicht mehr gestört werden. Dadurch kann der Sensor das eigentliche Nutzsignal, welches eine tieffrequente Fahrzeugbewegung bis 5 Hz mit Beschleunigungswerten repräsentiert, welche kleiner als die Erdbeschleunigung sind, fehlerfrei messen.
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Ausführungsformen der Erfindung stellen einen Schwingungsdämpfer für eine Sensoreinheit mit einem elastischen Dämpfungselement zur Verfügung. Erfindungsgemäß weist das Dämpfungselement eine Zentralplatte, mehrere Dämpfungsfinger, welche an einem Ende mit der Zentralplatte verbunden sind, und mehrere Befestigungsflächen auf, wobei mindestens zwei Befestigungsflächen in einer ersten Raumrichtung beabstandet zueinander angeordnet sind. Das Dämpfungselement ist entlang der ersten Raumrichtung biegeelastisch weich und in einer zur ersten Raumrichtung senkrecht angeordneten Haupterstreckungsebene mit einer höheren Steifigkeit ausgebildet, wobei auf den mindestens zwei Befestigungsflächen jeweils eine Kleberschicht aufgebracht ist, welche durch Schwingungen in der Haupterstreckungsebene auf Schub beansprucht sind.
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Des Weiteren wird eine Sensoranordnung für ein Kraftfahrzeug mit einem Gehäuse und einer Grundplatte vorgeschlagen, welche über Befestigungselemente mit einer Trägerplatte verbunden ist, auf welcher mindestens ein mikromechanischer bzw. mikroelektromechanischer Sensor angeordnet ist, wobei die Trägerplatte über einen erfindungsgemäßen Schwingungsdämpfer schwingungstechnisch vom Gehäuse entkoppelt ist.
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Durch Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Schwingungsdämpfers wird in vorteilhafter Weise sichergestellt, dass das Dämpfungselement in der Haupterstreckungsebene relativ steif ist, da die Eigenfrequenz der Trägerplatte mit ca.1 kHz relativ groß ist. Die Steifigkeit des Dämpfungselements senkrecht zur Haupterstreckungsebene bzw. senkrecht zur Trägerplatte ist relativ gering, um eine Wärmeausdehnung zu ermöglichen und Fertigungs- bzw. Montagetoleranzen auszugleichen. Vor allem kann durch die ebene Gestaltung der Befestigungsflächen und die Wahl der Anbindungspunkte eine Schwingungsdämpfung in der Ebene realisiert werden, ohne dass es zu einem Konflikt mit der Wärmeausdehnung bzw. thermischen Ausdehnung kommt.
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Durch die biegeelastisch weiche Ausführung entlang der ersten Raumrichtung und die dünnen Kleberschichten entstehen bei einer Wärmedehnung in der Ebene und auch bei der Montage des Dämpfungselements keine Zusatzkräfte, welche das Befestigungselement beanspruchen. Weiterhin werden die Kleberschichten sehr dünn ausgeführt, um eine Beanspruchung unter Schub und eine gute Dämpfungswirkung zu ermöglichen. In vorteilhafter Weise weisen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Schwingungsdämpfers einen einfachen mechanischen Aufbau auf und können einfach hergestellt und montiert werden. Dadurch können Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Schwingungsdämpfers einfach und schnell an verschiedene Einbausituationen und Schwingungsformen angepasst werden, welche von den verschiedenen Sensoreinheiten- bzw. Steuergerätevarianten abhängig sind.
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Das Dämpfungselement ist so geformt und montiert, dass es beispielsweise auf Thermal Packages, elektrischen bzw. elektronischen Bauteilen und/oder geeigneten anderen Befestigungsstellen auf der Platine mit einer dünnen Klebeschicht an den "Fingerspitzen" befestigt ist, so dass bei ebenen Schwingungen der Trägerplatte die Kleberschichten auf Schub beansprucht werden. Der erfindungsgemäße Lösungsansatz bietet Dank der vielfältigen Geometrie- und Materialparameter eine Vielzahl von schwingungs- und fertigungsoptimierten Gestaltungsmöglichkeiten. Indem man das Dämpfungselement bzw. "Dämpfungshand" entsprechend formt und an den "richtigen" Punkten am Gehäuse und auf der Trägerplatte befestigt, führt eine Wärmeausdehnung bzw. thermische Ausdehnung in der Ebene nicht so stark zu mechanischen Spannungen. Daher erfolgt die Befestigung der Zentralplatte des Dämpfungselements vorzugsweise im thermischen Zentrum der Trägerplatte, so dass sich die Dämpfungsfinger in gleicher Weise mitausdehnen wie die Trägerplatte.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen und Weiterbildungen sind vorteilhafte Verbesserungen des im unabhängigen Patentanspruch 1 angegebenen Schwingungsdämpfers für eine Sensoreinheit und der im unabhängigen Patentanspruch 6 angegebenen Sensoranordnung für ein Kraftfahrzeug möglich.
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Besonders vorteilhaft ist, dass die Zentralplatte eine erste Befestigungsfläche und jeder Dämpfungsfinger am freien Ende eine zweite Befestigungsfläche aufweisen können. Zwischen der Zentralplatte und den freien Enden der Dämpfungsfinger kann jeweils ein Übergangsbereich angeordnet werden, welcher mit zwei Biegekanten ausgeführt werden kann. Dadurch werden in vorteilhafter Weise ein einfacher mechanischer Aufbau und eine schnelle Anpassung an verschiedene Einbausituationen ermöglicht. Da das Dämpfungselement nicht eben ist, sondern zweifach pro Dämpfungsfinger leicht abgekantet ist, können verschiedene Abstände zwischen Deckel und Trägerplatte ausgeglichen und die bei der Montage bzw. im Betrieb senkrecht zur Trägerplatte auftretenden Kräfte reduziert werden.
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In Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Schwingungsdämpfers können Form und Abmessungen des Dämpfungselements, insbesondere der Zentralplatte und der Dämpfungsfinger, in Abhängigkeit von den Eigenschwingungsformen und einer ebenen thermischen Ausdehnung einer zu dämpfenden Baugruppe mit zu minimierender Behinderung der thermischen Ausdehnung vorgegeben werden, so dass eine einfache Anpassung an verschiedenen Ausführungsformen der Trägerplatine möglich ist, welche unterschiedliche Eigenfrequenzen und thermische Zentren aufweisen können. So kann beispielsweise durch die Form und Dicke der Zentralplatte und die Breite der Dämpfungsfinger und Widerlagerposition in vorteilhafter Weise eine optimale Abstimmung der Dämpfung der Trägerplatte erreicht werden.
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Eine besonders einfache und kostengünstige Umsetzung des erfindungsgemäßen Schwingungsdämpfers wird ermöglicht, wenn das Dämpfungselement als Stanz-Biegeteil ausgeführt wird.
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In Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Sensoranordnung kann die Zentralplatte des Dämpfungselements über eine erste Kleberschicht mit dem Gehäuse verbunden werden. Die einzelnen Dämpfungsfinger des Dämpfungselements können jeweils über eine zweite Kleberschicht mit einem Befestigungspunkt der Trägerplatte verbunden werden. Die beiden Kleberschichten wirken als Dämpfungselemente und können beispielsweise während der Fertigung mit einem Dispenser aufgebracht werden. Weiterhin kann durch das Einkleben des Dämpfungselements sichergestellt werden, dass sich bei der Montage keine hohen Kräfte auf die Befestigungselemente oder die Halteplatte ergeben.
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In weiterer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Sensoranordnung können die Befestigungspunkte der Trägerplatte auf Thermal Packages und/oder elektrischen bzw. elektronischen Bauteilen und/oder an anderen geeigneten Stellen angeordnet werden, welche fest mit der Trägerplatte verbunden sind. Die Trägerplatte ist vorzugsweise über Pressfit-Pins mit der Grundplatte verbunden. Die einzelnen Pressfit-Pins sind in Längsrichtung sehr steif und über die ganze Trägerplatte verteilt angeordnet.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen Komponenten bzw. Elemente, die gleiche bzw. analoge Funktionen ausführen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Sensoreinheit mit einem erfindungsgemäßen Schwingungsdämpfer.
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2 zeigt eine schematische Draufsicht auf das in 1 dargestellte Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Sensoreinheit ohne Deckel.
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3 zeigt eine schematische Draufsicht eines erfindungsgemäßen Schwingungsdämpfers für die in 1 und 2 dargestellte Sensoreinheit.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Ein häufig auftretendes Problem beim Einsatz von Inertialsensoren in Kraftfahrzeugen sind Störbeschleunigungen, die je nach Anbaustelle des Sensors auftreten können. Diese Störbeschleunigungen weisen einen besonders starken Einfluss auf die Ausgangssignale des Sensors auf, wenn ihre Frequenz im Bereich einer Anregungsfrequenz des Sensors bzw. einer Eigenfrequenz der Sensoranordnung liegt. Anhand von Schwingungsmessungen und FEM-Analysen (FEM: Finite-Elemente-Methode) kann demonstriert werden, dass Überhöhungsfaktoren, die aufgrund von Gehäuseeigenmoden entstehen, Signale der Inertialsensoren massiv stören können. Ein besonders störender Einfluss ergibt sich durch die ersten Eigenmoden im Frequenzbereich von 30 Hz bis 4 kHz. Innerhalb dieses Frequenzbereichs kann eine verhältnismäßig hohe Empfindlichkeit der Inertialsensoren, insbesondere eines zweiachsigen Beschleunigungselements nachgewiesen werden.
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Eine Trägerplatte bzw. Platine einer Sensoreinheit in bekannten ESP/ABS-Steuergeräten mit integriertem Beschleunigungssensor ist beispielsweise über Pressfit-Pins mit einer Grundplatte verbunden. Bei Schwingungsanregung im Betrieb (Motor, Ventile usw.) kommt es im Wesentlichen zu Schwingungen in zwei Richtungen einer Haupterstreckungsebene der Trägerplatte bzw. Platine. Die Trägerplatte bzw. Platine wirkt als schwingende Masse und die Pressfit-Pins als kleine Biegefedern. Da der auf der Trägerplatte bzw. Platine angeordnete Beschleunigungssensor in der Haupterstreckungsebene der Trägerplatte bzw. Platine misst können sich Sensorstörungen ergeben. Durch die Pressfit-Pins ist die Struktur senkrecht zur Trägerplatte bzw. Platine steif, da die einzelnen Pins in Längsrichtung sehr steif sind und über die ganze Fläche der Trägerplatte bzw. Platine verteilt sind.
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Wie aus 1 bis 3 ersichtlich ist, umfasst das dargestellte Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Sensoreinheit 1 ein Gehäuse 3 und eine Grundplatte 5, welche über Befestigungselemente 7 mit einer Trägerplatte 30 verbunden ist, auf welcher mindestens ein mikromechanischer bzw. mikroelektromechanischer Sensor 44 angeordnet ist. Die Trägerplatte 30 ist über einen erfindungsgemäßen Schwingungsdämpfer 10 vom Gehäuse 3 entkoppelt. Der Sensor 40 ist beispielsweise als so genannter Inertialsensor ausgeführt und kann zur Messung von Beschleunigungen und/oder von Gier- bzw. Drehraten des Kraftfahrzeugs in Bezug auf verschiedene Raumachsen verwendet werden kann. Zusätzlich kann eine entsprechende elektronische Auswerte- und Steuerschaltung 40 in die Sensoreinheit 1 integriert und auf der Trägerplatte 30 angeordnet werden.
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Der erfindungsgemäße Schwingungsdämpfer 10 umfasst ein elastisches Dämpfungselement 20. Erfindungsgemäß weist das Dämpfungselement 20 eine Zentralplatte 22, mehrere Dämpfungsfinger 24, welche an einem Ende mit der Zentralplatte 22 verbunden sind, und mehrere Befestigungsflächen 22.1, 24.2 auf. Mindestens zwei Befestigungsflächen 22.1, 24.2 sind in einer ersten Raumrichtung z beabstandet zueinander angeordnet. Das Dämpfungselement 20 ist entlang der ersten Raumrichtung z biegeelastisch weich und in einer zur ersten Raumrichtung z senkrecht angeordneten Haupterstreckungsebene x – y mit einer höheren Steifigkeit ausgebildet, wobei auf den mindestens zwei Befestigungsflächen 22.1, 24.2 jeweils eine Kleberschicht 12, 14 aufgebracht ist, welche durch Schwingungen in der Haupterstreckungsebene auf Schub beansprucht sind.
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Wie aus 1 bis 3 weiter ersichtlich ist, ist zwischen der Zentralplatte 22 und den freien Enden der Dämpfungsfinger 24 („Fingerspitzen“) jeweils ein Übergangsbereich 24.1 angeordnet, welcher mit zwei Biegekanten 24.3 ausgeführt ist. Die Form und Abmessungen des Dämpfungselements 20 sind in Abhängigkeit von den Eigenschwingungsformen und einer ebenen thermischen Ausdehnung einer zu dämpfenden Baugruppe mit zu minimierender Behinderung der thermischen Ausdehnung, hier von der Trägerplatte 30 vorgegeben. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Dämpfungselement 20 als Stanz-Biege-Blechbauteil ausgeführt. Das als Blechbauteil ausgeführte Dämpfungselement 20 ist sehr dünn und weist eine Stärke auf, die wesentlich kleiner als 0.1 mm ist. Dadurch ist das Dämpfungselement 20 in seiner Haupterstreckungsebene x-y sehr steif und ist durch die gewählte hand- bzw. spinnenförmige Formgebung mit der Zentralplatte 22 und den Dämpfungsfingern 24 senkrecht zur Haupterstreckungsebene x – y biegeelastisch weich ausgeführt. Die Zentralplatte 22 weist eine erste Befestigungsfläche 22.1 und jeder Dämpfungsfinger 24 weist am freien Ende eine zweite Befestigungsfläche 24.2 auf.
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Wie aus 1 und 2 weiter ersichtlich ist, ist die Trägerplatte 30 über mehrere als Pressfit-Pins ausgeführte Befestigungselemente 7 mit der Grundplatte 5 verbunden. Zudem ist die Zentralplatte 22 des Dämpfungselements 20 über eine erste Kleberschicht 14 mit dem Gehäuse 3, hier mit einem Gehäusedeckel verbunden. Die einzelnen Dämpfungsfinger 24 des Dämpfungselements 20 sind jeweils an der „Fingerspitze“ über eine zweite Kleberschicht 14 mit einem Befestigungspunkt 32 der Trägerplatte 30 verbunden. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Befestigungspunkt 32 der Trägerplatte 30 auf Thermal Packages 46 angeordnet. Zusätzlich oder alternativ können die Befestigungspunkte 32 auf elektrischen bzw. elektronischen Bauteilen 42 der Auswerte- und Steuerschaltung 40 oder an anderen geeigneten Stellen angeordnet werden, welche fest mit der Trägerplatte 30 verbunden sind.
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Ausführungsformen des Dämpfungselements 20 für den erfindungsgemäßen Schwingungsdämpfer 10 sind so geformt und montiert, dass der jeweilige erfindungsgemäße Schwingungsdämpfer 10 über dünne zweite Kleberschichten 14 an den "Fingerspitzen" der Dämpfungsfinger 24 an geeigneten Befestigungspunkten 32 auf der Trägerplatte 30 befestigt ist, so dass bei ebenen Schwingungen der Trägerplatte 30 die zweiten Kleberschichten 14 auf Schub beansprucht werden. Diese Bewegungen der Trägerplatte 30 werden über die Dämpfungsfinger 24 auf die Zentralplatte 22 des Dämpfungselements 20 übertragen, welche über eine erste Kleberschicht 12 am Gehäuse 3 der Sensoreinheit 1 bzw. eines Steuergeräts verklebt ist. Der Gehäuse 3 wirkt aufgrund seiner Steifigkeit und Masse als mechanisches Widerlager zur Abstützung der Dämpfungsfinger 24. Die beiden Kleberschichten 12, 14 wirken als Dämpfungselemente für Schwingungen in der Haupterstreckungsebene x – y der Trägerplatte 30 und können während der Fertigung über einen Dispenser aufgebracht werden.
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Der erfindungsgemäße Schwingungsdämpfer 10 ist nicht eben, sondern zweifach pro Dämpfungsfinger 24 leicht abgekantet und kann somit auf verschiedene Abstände zwischen der Trägerplatte 30 und dem Gehäuse 3 konfiguriert werden. Dadurch reduzieren Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Schwingungsdämpfers 10 die bei der Montage und im Betrieb auftretenden senkrecht zur Trägerplatte 30 wirkenden Kräfte. Durch die Form und Dicke des Dämpfungselements 20 und die Breite der Dämpfungsfinger 24 und der Widerlagerposition kann eine optimale zu den Eigenschwingungsformen und dem thermischen Zentrum der Trägerplatte 30 passende Abstimmung des erfindungsgemäßen Schwingungsdämpfers 10 vorgenommen werden. Indem man das Dämpfungselement 20 bzw. "Dämpfungshand" entsprechend formt und an den "richtigen" Punkten am Gehäuse 3 und auf der Trägerplatte 30 befestigt, führt eine Wärmeausdehnung bzw. thermische Ausdehnung in der Ebene nicht so stark zu mechanischen Spannungen. Daher erfolgt die Befestigung der Zentralplatte 22 des Dämpfungselements 20 vorzugsweise im thermischen Zentrum der Trägerplatte 30, so dass sich die Dämpfungsfinger 24 in gleicher Weise mitausdehnen wie die Trägerplatte 30. Ergibt sich während des Betriebs beispielsweise eine translatorische Hin- und Herbewegung, und ist das thermische Zentrum der ebenen thermischen Dehnung beispielsweise in der Mitte des Dämpfungselements 20 angeordnet, dann sind die thermischen Spannungen eher gering und symmetrisch. Daher wird vor der Montage vorzugsweis durch Simulation berechnet, wo das Optimum aus maximaler Schwingungstilgung und minimaler mechanischer Spannungserhöhung aufgrund der Wärmedehnung bzw. thermischen Dehnung ist. Entsprechend werden dann die Form der Zentralplatte 22 und der Dämpfungsfinger 24 des Dämpfungselements 20 und die Anbindungspunkte am Gehäusedeckel 3 und auf der Trägerplatte 30 ausgesucht.
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Weiterhin wird durch das Einkleben des erfindungsgemäßen Schwingungsdämpfer 10 in vorteilhafter Weise vermieden, dass sich bei der Montage hohe Kräfte auf die als Pressfit-Pins ausgeführten Befestigungselement 7 oder die Trägerplatte 30 ergeben. Bei Schwingungen oder Schlägen auf das Gehäuse 3 der Sensoreinheit 1 bzw. einem korrespondierenden Steuergerät, welche meist in senkrechter Richtung durch lose Kabelbäume im Fahrzeug bei Befahren eines Schlechtwegs verursacht werden, erfolgt aufgrund der senkrecht zur Trägerplatte 30 sehr weichen Federwirkung des erfindungsgemäßen Schwingungsdämpfers 10 keine Übertragung auf die Trägerplatte 30 und damit auch keine Störung des Sensors 44.
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Ausführungsformen der Erfindung ermöglichen unter Nutzung einer Vermittlungsstruktur in Form eines Schwingungsdämpfers die Dämpfung der Resonanzen in der Ebene. Hierbei stellt der erfindungsgemäße Schwingungsdämpfer richtungsabhängige Steifigkeiten zur Verfügung, um die Bewegung der Trägerplatte in den Eigenschwingungsformen zu reduzieren. Dadurch wird der eingebaute vorzugsweise als Beschleunigungssensor ausgeführte Sensor nicht mehr gestört, so dass das eigentliche Nutzsignal in höherer Signalqualität gemessen werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006002350 A1 [0003]
- DE 102007062700 A1 [0004]
