DE102014002109A1

DE102014002109A1 - Bauelement, Bauteilanordnung und Verfahren zur Verformungsdetektion eines Bauelementes

Info

Publication number: DE102014002109A1
Application number: DE102014002109.2A
Authority: DE
Inventors: Christina Fendt; Ulrich Pfeiffer
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2014-02-15
Filing date: 2014-02-15
Publication date: 2015-08-20

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bauelement (2), insbesondere für den Fahrzeugbau, aufweisend eine Faserverbundstruktur (3) und eine im Inneren der Faserverbundstruktur (3) angeordnete Lichtleiteinheit (4), wobei die Lichtleiteinheit (4) so ausgebildet und angeordnet ist, dass die Lichtleiteinheit (4) bei Verformung der Faserverbundstruktur (3) derart mit verformt wird, dass sich Lichtleitungseigenschaften der Lichtleiteinheit (4) ändern. Die Erfindung betrifft auch eine Bauteilanordnung (1), insbesondere für den Fahrzeugbau, aufweisend ein derartiges Bauelement (2); eine Lichtquelle (5) und eine Detektionseinheit (7) zur Detektion von aus der Lichtleiteinheit (4) austretendem Licht. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Verformungsdetektion an einem derartigen Bauelement (2), insbesondere eines Fahrzeugs.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bauelement, insbesondere ein Bauelement mit einer Faserverbundstruktur, sowie eine Bauteilanordnung mit einem derartigen Bauelement. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Verformungsdetektion. Die Erfindung ist insbesondere im Automobilbau bzw. in der Fahrzeugtechnik anwendbar.
Es ist bekannt, tragende, elastische Bauteile wie etwa Tragfedern eines Kraftfahrzeugs aus einem Bauelement mit einer auf einem Kern gewickelten bzw. geflochtenen Faserverbundstruktur herzustellen. Faserverbundstrukturen weisen oft einen Vorteil im Hinblick auf die Gestaltungsfreiheit hinsichtlich Geometrie und mechanischen Eigenschaften, das Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht und, besonders im Fahrwerksbereich von hoher Bedeutung, die Korrosionsfestigkeit auf.
In modernen Kraftfahrzeugen ist es oft wünschenswert, den Federweg bzw. Einfederungsweg eines Fahrwerks zu ermitteln, um beispielsweise Informationen für eine automatische Fahrwerksstabilisierung zu erhalten. Zur Messung des Einfederungsweges sind verschiedene Verfahren bekannt wie beispielsweise der Einsatz von Weggebern am Stoßdämpfer, Dehnungsmessstreifen an der Tragfeder oder von Hebelanordnungen mit Potentiometer. Alle diese Lösungen weisen, da sie sich im Bereich des zur Straße hin offenen Fahrwerks befinden, eine erhöhte Störanfälligkeit auf oder sind kompliziert im Aufbau. Andererseits ist es wünschenswert, ganz allgemein die Verformung eines Bauteils zu ermitteln, um beispielsweise Informationen über kritische Lastzustände zu erhalten.
Die EP 2 145 781 A1 zeigt beispielsweise ein Kraftfahrzeug mit einer aktiven Federung, wobei das Prinzip der Triangulation zum Ermitteln der Position des Verstellelements eingesetzt wird. Dabei wird ein Sensor, eine Lichtquelle und ein Mittel, das den Abstand zwischen Sensoreinheit und Verstellelement, den Rückstrahlwinkel und den definierten Abstand misst, verwendet. Diese Anordnung weist einen vergleichsweise komplexen Aufbau und gerätetechnischen Aufwand auf und erfordert eine sorgfältige Kalibrierung, deren Dauerzuverlässigkeit unter rauen Einsatzbedingungen problematisch sein könnte.
Die EP 2 116 832 A1 offenbart eine Erfassung mechanischer Veränderungen durch Sensoren, die optische Lichtleiter verwenden. Sensoren können dabei als Längensensor verwendet werden, wodurch es möglich ist, eine Längenänderung mit einem Lichtleiterabschnitt zu messen und die Torsion zu bestimmen. Klammern koppeln dabei die mechanischen Größen. Es ist jedoch schwierig, einen derart geklammerten Lichtleiter im Bereich des Fahrwerks eines Kraftfahrzeugs störungssicher unterzubringen.
Die DE 10 2009 020 115 B4 offenbart ein Verfahren zur Fehlerkorrektur für einen faseroptischen Sensor, umfassend Rückstreu-Messdaten, ein gemessenes Streuprofil und einen Zeitverlauf dazu. Hierzu wird der faseroptische Sensor unter Verwendung einer Feder und eines Dämpfungsglieds modelliert.
Die DE 10 2009 054 458 A1 zeigt eine Anordnungsstruktur mit zumindest zwei Deckschichten, zwischen denen zumindest eine Füllung aus wenigstens einem Funktionswerkstoff vorgesehen ist. Dabei geht es um die aktive Veränderung von Bauteileigenschaften. Beispielsweise kann der Elastizitätsmodul aktiv, etwa durch piezoelektrische Funktionswerkstoffe, veränderbar sein. Messtechnische Gesichtspunkte werden nicht offenbart.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die oben beschriebenen Nachteile im Stand der Technik wenigstens in Teilaspekten zu vermeiden. Insbesondere besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Bauelement, eine Bauteilanordnung und ein Verfahren zu schaffen, mit denen es möglich ist, den Einfederungsweg bzw. Höhenstand eines Fahrzeugs auf neuartige, insbesondere zuverlässige, einfache und robuste Weise zu detektieren, wobei insbesondere mechanische Sensoriken vermieden werden. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, Last- und Überlastsituationen bzw. elastische oder plastische Verformungen in faserverstärkten, insbesondere um einen Kern gewickelten, Bauteilen zu detektieren, die von außen nicht erkennbar sind.
Die vorstehend genannte Aufgabe wird wenigstens in Teilaspekten gelöst durch ein erfindungsgemäßes Bauelement mit den Merkmalen des Anspruchs 1, eine erfindungsgemäße Bauteilanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 5 und ein erfindungsgemäßes Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 10. Dabei gelten Merkmale und Einzelheiten, die im Zusammenhang mit einem Erfindungsaspekt beschrieben sind, auch im Zusammenhang mit jedem anderen Erfindungsaspekt sowie jeweils umgekehrt und wechselweise, so dass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird beziehungsweise werden kann.
Nach einem Gesichtspunkt der Erfindung wird ein Bauelement, insbesondere für den Fahrzeugbau, vorgeschlagen, aufweisend eine Faserverbundstruktur und eine im inneren der Faserverbundstruktur angeordnete Lichtleiteinheit, wobei die Lichtleiteinheit so ausgebildet und angeordnet ist, dass die Lichtleiteinheit bei Verformung der Faserverbundstruktur derart mit verformt wird, dass sich eine Lichtleitungseigenschaft der Lichtleiteinheit ändert.
Unter einem Bauelement im Sinne der Erfindung wird eine beliebige Raumform oder Vorrichtung verstanden wie etwa ein Halbzeug, ein Bauteil, oder dergleichen. Eine Faserverbundstruktur ist im Sinne der Erfindung eine Struktur, insbesondere Tragstruktur, die eine Matrix und eine in der Matrix eingebettete Faseranordnung, insbesondere Verstärkungsfaseranordnung aufweist, wobei die Matrix vorzugsweise eine Harzmatrix ist und wobei die Faseranordnung vorzugsweise Glasfasern und/oder Kohlenstoff-Fasern und/oder Aramidfasern aufweist. Unter einer Lichtleiteinheit wird im Sinne der Erfindung jedwede Anordnung verstanden, die im an sich bekannten technischen Sinne zur verlustfreien bzw. verlustarmen Leitung von Licht, insbesondere gebündeltem Licht durch Totalreflexion an Reflexionsflächen ausgebildet ist. Eine Lichtleiteinheit kann also beispielsweise einen einzelnen Lichtleiter oder eine Anordnung von Lichtleitern aufweisen. Eine Verformung der Lichtleiteinheit kann im Sinne der Erfindung jedwede Verformung sein, die Lichtleitungseigenschaften der Lichtleiteinheit ändert, und kann beispielsweise eine Längung, Stauchung, Biegung, Torsion, Eindellung, Ausbeulung etc. umfassen. Dabei ist eine Lichtleitungseigenschaft im Sinne der Erfindung eine Eigenschaft, die den Strahlengang oder eine sonstige charakteristische Eigenschaft von durch die Lichtleiteinheit geleitetem Licht beeinflusst. Dies kann insbesondere, aber nicht nur, Reflexionswinkel an den inneren Reflexionsflächen der Lichtleiteinheit betreffen. Alternative Beispiele von Lichtleitungseigenschaften können Dämpfung, Lauflänge etc. sein. Eine Mitverformung der Lichtleiteinheit kann dadurch begünstigt sein, dass die Lichtleiteinheit fest mit der Faserverbundstruktur verbunden ist. Durch die erfindungsgemäße Ausbildung und Anordnung bewirkt eine Verformung der Faserverbundstruktur eine Änderung der Lichtleiteigenschaft und damit einer charakteristischen Eigenschaft des durch die Lichtleiteinheit geleiteten Lichts. Wenn die Änderung der Lichtleitungseigenschaft beispielsweise die Reflexionswinkel betrifft, wird die Verformung einen veränderten Austrittswinkel des Lichts bewirken. Wenn andere Lichtleitungseigenschaften betroffen sind, können andere charakteristische Eigenschaften des Lichts geändert werden, wie etwa Laufzeit, Phase, Frequenz, Intensität, auch etwa im Verhältnis mehrerer Lichtstrahlen oder -bündel, die durch verschiedene Lichtleiter der Lichtleiteinheit gesendet werden. Diese Änderung kann gemessen und ausgewertet werden, sodass auf die Verformung der Faserverbundstruktur zurückgeschlossen werden kann. So können Verformungen des Bauelements detektiert werden. Last- und Überlastsituationen in FV-Bauteilen, die von außen nicht erkennbar sind, können so erkannt werden. Mechanische oder sonstige separate Sensoren können entfallen. Mit dem erfindungsgemäßen Bauelement kann eine Vorrichtung verwirklicht werden, um den Einfederungsweg bzw. Höhenstand eines Fahrzeugs auf neuartige, insbesondere zuverlässige, einfache und robuste Weise zu detektieren, wobei insbesondere mechanische Sensoriken vermieden werden. Eine solche Vorrichtung weist eine geringe Störanfälligkeit bzw. hohe Zuverlässigkeit auf, da das Messmedium im Inneren des Bauelements verläuft und durch äußere Bedingungen wie etwa Verschmutzungen nicht beeinträchtigt wird.
Die Erfindung ist besonders vorteilhaft auf eine Faserverbundstruktur anwendbar, die um die Lichtleiteinheit gewickelt oder geflochten ist. Eine solche Faserverbundstruktur weist in der Regel einen Kern auf, der oft im Bauelement verbleibt. Wenn als Kern eine Lichtleiteinheit verwendet wird, kann der Kern eine weitere Funktion aufweisen, was den nutzbaren Massenanteil des Bauelements vergrößert. Durch das Wickeln oder Flechten wird die Lichtleiteinheit auch fest mit der Faserverbundstruktur verbunden, was die Mitverformung der Lichtleiteinheit begünstigt. Als gewickelte oder geflochtene Struktur ist die Erfindung insbesondere, aber nicht nur, auf langgestreckte, auch gekrümmte, Formen anwendbar. Alternativ kann die Lichtleiteinheit in die Matrix der Faserverbundstruktur eingebunden sein. In einer weiteren Alternative ist die Erfindung auch auf nicht gewickelte Faserverbundteile wie etwa aus gelegten Fasermatten, Prepregs, Preformen anwendbar.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Lichtleiteinheit einen klaren Silikonstrang oder eine Lichtleitfaseranordnung mit lichtleitenden Glasfasern oder lichtleitenden Polymerfasern auf bzw. besteht daraus. Derartige Stränge bzw. Faseranordnungen sind als Lichtleitelemente bewährt. Der Begriff klar umfasst im Sinne der Erfindung glasklar oder zumindest im Sinne einer Lichtleitung lichtdurchlässig.
In einer bevorzugten Ausführungsform bildet das Bauelement ein Federbauteil, vorzugsweise in Form einer Schraubenfeder, aus. Eine Schraubenfeder ist im Sinne der Erfindung eine langgestreckte, schraubenförmig bzw. wendelförmig gekrümmte Struktur, deren Umgestalt beziehungsweise Hülle zylindrisch oder nicht zylindrisch, auch tonnenförmiger, gerade oder windschief, sein kann. Alternativ ist die Erfindung auch für Blattfedern oder andere Federformen anwendbar. Da die Lichtleiteinheit in der Faserverbundstruktur des Federbauteils eingebunden ist, wird bei einer Einfederung des Federbauteils sich der Strahlengang in der Lichtleiteinheit in detektierbarer Weise ändern und ist dadurch eine Messung des Federwegs ohne mechanische Sensorik möglich. Dies schafft auch eine kostengünstige Funktionserweiterung von Fahrzeugfedern aus Faserverbundmaterialien und erlaubt den Verzicht auf störanfällige Hebel/Potentiometerlösungen.
Ein weiterer Gesichtspunkt der Erfindung betrifft eine Bauteilanordnung, insbesondere für den Fahrzeugbau, aufweisend

– ein Bauelement nach einem der vorstehenden Ansprüche;
– eine Lichtquelle, die an einem ersten Ende des Bauelements derart angeordnet ist, dass ein von der Lichtquelle emittiertes Licht in die Lichtleiteinheit fällt und durch die Lichtleiteinheit zu einem zweiten Ende des Bauelements geleitet wird, wobei die Lichtquelle vorzugsweise eine Laserlichtquelle ist; und
– eine Detektionseinheit zur Detektion von aus der Lichtleiteinheit austretendem Licht.

Im Sinne der Erfindung sind ein erstes und ein zweites Ende Enden des Bauelements, zwischen denen sich die Lichtleiteinheit erstreckt.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Detektionseinheit an dem zweiten Ende des Bauelements derart angeordnet, dass ein durch die Lichtleiteinheit zu dem zweiten Ende des Bauelements geleitetes Licht auf oder in die Detektionseinheit fällt.
In einer alternativen Ausgestaltung ist die Detektionseinheit an dem ersten Ende des Bauelements derart angeordnet ist, dass ein durch die Lichtleiteinheit zu dem ersten Ende des Bauelements geleitetes Licht auf oder in die Detektionseinheit fällt. Vorzugsweise sind dabei die Lichtquelle und die Detektionseinheit in einer Baueinheit zusammengefasst. Bei dieser Ausgestaltung ist es vorteilhaft, wenn eine Rückstrahleinheit an dem zweiten Ende des Bauelements derart angeordnet ist, dass ein durch die Lichtleiteinheit zu dem zweiten Ende des Bauelements geleitetes Licht so auf oder in die Rückstrahleinheit fällt, dass durch die Rückstrahleinheit zurückgestrahltes Licht in die Lichtleiteinheit eintritt und durch die Lichtleiteinheit zu dem ersten Ende des Bauelements geleitet wird.
Vorzugsweise ist die Detektionseinheit zur Erfassung eines Austrittswinkels des aus der Lichtleiteinheit austretenden Lichts ausgebildet. Dabei kann die Detektionseinheit vorzugsweise ein, insbesondere räumliches, Array von Lichtsensoren aufweisen. Ferner kann die Lichtquelle vorzugsweise zur Einleitung von Licht mit einem vorgegebenen Eintrittswinkel in die Lichtleiteinheit ausgebildet sein.
In einer bevorzugten Weiterbildung ist die Bauteilanordnung weiter gekennzeichnet durch eine Steuerbaugruppe, die wenigstens eines von Elementen aufweist aus der Gruppe, welche aufweist:

– eine Auswerteeinheit zum Auswerten von Signalen der Detektionseinheit,
– eine Anzeigeeinheit zum Anzeigen eines Auswerteergebnisses der Auswerteeinheit,
– eine Aktorik zum Ansteuern von Stellern auf der Grundlage eines Auswerteergebnisses der Auswerteeinheit,
– ein Steuergerät zum Verarbeiten eines Auswerteergebnisses der Auswerteeinheit und/oder zum Ansteuern der Anzeigeeinheit und/oder der Aktorik.

Ein weiterer Gesichtspunkt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verformungsdetektion an einem Bauelement, insbesondere eines Fahrzeugs, wobei das Bauelement eine Faserverbundstruktur aufweist, mit den Schritten:

a) Ansteuern einer Lichtquelle, um Licht in eine im Inneren der Faserverbundstruktur angeordnete Lichtleiteinheit zu senden,
b) Detektieren eines aus der Lichtleiteinheit austretenden Lichts,
c) Ermitteln wenigstens einer charakteristischen Eigenschaft des aus der Lichtleiteinheit austretenden Lichts;
d) Berechnen einer Verformungsgröße des Bauelements durch Auswerten der charakteristischen Eigenschaft des aus der Lichtleiteinheit austretenden Lichts.

Das Auswerten der charakteristischen Eigenschaft umfasst bevorzugt einen Vergleich mit einer Referenzgröße der charakteristischen Eigenschaft, wobei die Referenzgröße in einem Referenz-Verformungszustand des Bauelements erfasst wird. Als Referenz-Verformungszustand kann insbesondere ein unverformter Zustand oder ein definierter Lastfall verwendet werden. Es versteht sich, dass die Referenzgröße vorzugsweise vorab ermittelt und abgespeichert wird. Es können auch mehrere Referenzgrößen wie etwa ein unverformter Zustand und ein definierter Lastfall, etwa eine zulässige Grenzlast, gegebenenfalls auch mehrere Zwischenzustände, verwendet werden. Der Vergleich kann eine lineare Extrapolation oder Interpolation umfassen. Das Ermitteln der Referenzgrößen entspricht somit einer Kalibrierung des Verfahrens. Da die Lichtleiteinheit im Inneren der Faserverbundstruktur angeordnet ist, wird sie sich bei Verformung der Faserverbundstruktur mit verformen, so dass sich eine Lichtleiteigenschaft der Lichtleiteinheit und damit auch die charakteristische Eigenschaft des aus der Lichtleiteinheit austretenden Lichts ändern. In diesem Sinne ist das Bauelement, das in diesem Verfahren verwendet wird, wie das Bauelement des ersten Erfindungsgesichtspunkts aufgebaut. Daher treffen alle beschriebenen Wirkungen, auch in Bezug auf weitere Ausführungsformen, Abwandlungen, Varianten und Weiterbildungen, auch auf das erfindungsgemäße Verfahren zu. Zur Durchführung des Verfahrens ist eine Bauteilanordnung gemäß dem vorherigen Erfindungsgesichtspunkt geeignet, sodass auch die hierzu getroffenen Feststellungen auf das Verfahren übertragen werden können.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die charakteristische Eigenschaft ein Austrittswinkel des aus der Lichtleiteinheit austretenden Lichts. Dabei wird vorzugsweise das Licht mit einem vorbestimmten Eintrittswinkel in die Lichtleiteinheit gesendet. Besonders bevorzugt ist das in die Lichtleiteinheit gesendete Licht Laserlicht.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Bauelement ein Federelement wie vorstehend beschrieben, wobei die Verformungsgröße ein Federweg des Bauelements ist. In diesem Fall ist das Verfahren zur Verformungsdetektion gleichbedeutend mit einem Verfahren zur Federwegmessung. Wenn das Federelement eine Tragfeder eines Fahrzeugs ist, kann das Verfahren auch zur Detektion eines Höhenstands des Fahrzeugs verwendet werden, indem etwa zusätzlich zur Verformungsgröße, d. h., zum berechneten Federweg, ein Referenz-Höhenstand additiv zu berücksichtigen ist. Der Referenz-Höhenstand entspricht beispielsweise einer nicht eingefederten Lage oder einer Einfederungslage unter vorbestimmten (Referenz-)Lastbedingungen. Der Referenz-Höhenstand kann, muss aber nicht, dem Referenz-Verformungszustand des Bauelements entsprechen.
Weitere Merkmale, Wirkungen und Details der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen. In den Zeichnungen zeigen:
1 eine Bauteilanordnung mit einem Bauelement gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
2 Bauteilanordnung mit einem Bauelement gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, und
3a und 3b eine konkrete Anwendung der Bauteilanordnung von 2 an einem Fahrzeug in einer unbelasteten und einer belasteten Situation als ein weiteres Ausführungsbeispiel.
Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen im Einzelnen beschrieben. Dabei sind gleiche bzw. gleich wirkende Bauteile in mehreren Figuren jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Bauelemente und Merkmale, Zwecke und Wirkungen, die in Bezug auf ein Ausführungsbespiel beschrieben werden, sind, soweit nicht ausdrücklich oder ersichtlich ausgeschlossen, als in jedem anderen Ausführungsbeispiel anwendbar anzunehmen und sollen auch in Bezug auf das jeweils andere Ausführungsbeispiel als offenbart gelten, auch wenn sie dort nicht ausdrücklich gezeigt und/oder beschrieben werden. Es versteht sich ferner, dass die Zeichnungen als schematisch zu verstehen sind und ihnen keine Einschränkungen im Hinblick auf konkrete Abmessungen oder Größenverhältnisse entnommen werden sollen, es sei denn, dies wäre ausdrücklich so beschrieben.
1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Bauteilanordnung 1 mit einem Bauelement 2 gemäß einem allgemeinen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In 1 ist das Bauelement 2 im Längsschnitt dargestellt.
Gemäß der Darstellung in 1 weist das Bauelement 2 eine Faserverbundstruktur 3 und eine Lichtleiteinheit 4 auf. Die Lichtleiteinheit 4 ist ohne Beschränkung der Allgemeinheit ein monolithischer, klarer Silikonstrang. Die Lichtleiteinheit 4 ist für Licht, insbesondere Laserlicht, nahezu verlustfrei durchlässig. Eine Innenoberfläche der Lichtleiteinheit 4 bildet eine Lichtreflexionsfläche 4a, an welcher in die Lichtleiteinheit 4 geleitetes Licht totalreflektieren kann und somit durch die Lichtleiteinheit 4 leitbar ist. Die Faserverbundstruktur 3 weist ohne Beschränkung der Allgemeinheit eine Glasfaseranordnung auf, die auf die Lichtleitelement 4 gewickelt und in einer Kunstharzmatrix eingebettet ist. Mit anderen Worten, die Lichtleiteinheit 4 bildet bei der Herstellung des Bauelements 2 einen Wickelkern für die Faserverbundstruktur 3 aus und ist in dem fertigen Bauelement 2 innerhalb der Faserverbundstruktur 3 angeordnet und mit der Faserverbundstruktur 3 fest verbunden. Das Bauelement 2 weist ein erstes Ende 2a und ein zweites Ende 2b auf, welche auch Endquerschnitte der Lichtleiteinheit 4 bilden. Es ist festzuhalten, dass das Bauelement 2 bei der Herstellung als (Quasi-)Endlosbauteil hergestellt werden und bei Verwendung auf Maß geschnitten werden kann. Die Erfindung ist hierauf jedoch nicht beschränkt, vielmehr kann das Bauelement 2 auch auf Fertigmaß gewickelt werden.
An dem ersten Ende 2a des Bauelements 2 ist eine Lichtquelle 5 angeordnet, die eine Laserlichtquelle ist. Die Lichtquelle 5 ist ausgebildet und an dem Bauelement 2 angeordnet, um einen Lichtstrahl 6 so zu erzeugen, dass er in einem vorbestimmten Eintrittswinkel in die Lichtleiteinheit 4 des Bauteils 2 einfällt.
An dem zweiten Ende 2b des Bauelements 2 ist eine Detektionseinheit 7 angeordnet. Die Detektionseinheit 7 weist eine Mehrzahl von Sensoren 8 wie etwa Fotodioden oder faseroptischen Sensoren auf. Die Sensoren sind in Form eines räumlichen Arrays bzw. Clusters angeordnet. Die Detektionseinheit 7 mit den Sensoren 8 ist so ausgebildet und an dem Bauelement 2 angeordnet, dass der aus der Lichtleiteinheit 4 des Bauelements 2 austretende Lichtstrahl 6 auf einen der Sensoren 8 fällt und dort detektiert wird.
Die Bauteilanordnung 1 weist ferner eine Steuerbaugruppe 9 auf, welche eine Auswerteeinheit 10, ein Steuergerät 11, eine Anzeigeeinheit 12 und eine Aktorik 13 aufweist. Die Auswerteeinheit 10 ist mit der Lichtquelle 5, der Detektionseinheit 7 und dem Steuergerät 11 verbunden. Das Steuergerät 11 ist ferner mit der Anzeigeeinheit 12 und der Aktorik 13 verbunden. Die Auswerteeinheit 10 ist ausgebildet, um die Lichtquelle 5 anzusteuern, die Signale der Detektionseinheit 7 auszuwerten und ihre Ergebnisse an das Steuergerät 11 weiterzugeben. Das Steuergerät 11 ist ausgebildet, um die Anzeigeeinheit 12 und/oder die Aktorik 13 je nach Anwendungsfall anzusteuern.
Wenn das Bauelement 2 eine auf die Faserverbundstruktur 3 wirkenden Last F erfährt, stellt sich eine Verformung der Faserverbundstruktur 3 ein und verformt sich die Lichtleiteinheit 3 aufgrund ihrer Anordnung in der Faserverbundstruktur 3 mit. Dadurch stellt sich auch eine Verzerrung der Lichtreflexionsfläche 4a ein. Dies bewirkt eine Änderung der Reflexionswinkel innerhalb der Lichtleiteinheit 4, die eine Lichtleiteigenschaft der Lichtleiteinheit 4 sind, und dadurch ändert sich der Strahlengang innerhalb der Lichtleiteinheit 4. Mit anderen Worten, der Lichtstrahl 6 nimmt einen anderen Weg innerhalb der Lichtleiteinheit 4 und wird im belasteten Zustand als abgelenkter Lichtstrahl 6~ wahrgenommen. Der abgelenkte Lichtstrahl 6~ weist insbesondere einen anderen Austrittswinkel aus der Lichtleiteinheit 4 auf als der ursprüngliche Lichtstrahl 6 und fällt auf einen anderen der Sensoren 8 innerhalb der Detektionseinheit 7. Die Auswerteeinheit 10 ist ausgebildet, um die Signale der Detektionseinheit 7 analog der aufgebrachten Last F zu interpretieren. Mit anderen Worten, die Auswerteeinheit 10 ist ausgebildet, die Signale der Detektionseinheit 7 mit einem Referenzsignal, das einem unbelasteten Zustand des Bauelements 2 entspricht, zu vergleichen und daraus die Last F oder eine Verformungsgröße bzw. einen Verformungszustand des Bauelements 2 zu berechnen.
Im dargestellten Fall ist die zu berechnende Verformungsgröße eine Biegung, sie kann aber, je nach Art und Form des Bauelements 2 und je nach Anwendungsfall, auch eine Streckung, Stauchung, Beulung, Torsion etc. oder ein Spannungszustand sein. Im Sinne der Erfindung ist der Austrittswinkel des Lichtstrahls 6 bzw. des abgelenkten Lichtstrahls 6~ eine charakteristische Eigenschaft des austretenden, durch die Detektionseinheit 7 detektierten Lichts, die somit durch die Auswerteeinheit 10 aus den Signalen der Detektionseinheit 7 ermittelt werden kann. Es versteht sich, dass ein Verlauf von Detektionsergebnissen über einen gesamten möglichen Bereich der zu berechnenden Verformungen von einer Null- oder Referenzlage bis zu einer maximalen Verformung vorab ermittelt und in Form einer Kurve, Fläche, Funktion oder Tabelle gespeichert werden kann. Die Berechnung kann eine Interpolation, Extrapolation oder schlicht die Auswahl des nächstliegenden Werts einer (ausreichend fein abgestuften) Tabelle umfassen. Vorteilhaft wird die Verformungshistorie, d. h., zumindest die zuletzt berechnete Verformungsgröße, in die Berechnung einbezogen, da ein bestimmter Austrittswinkel des abgelenkten Lichtstrahls 6~ für mehrere Verformungszustände wiederkehren kann. Durch Einbeziehen der Historie kann dann für den ermittelten Austrittswinkel der dem letzten Verformungszustand nächste als der wahrscheinlichste Verformungszustand ausgewählt werden.
In der Folge können dann verschiede Aktionen von der Auswerteeinheit 10 ausgelöst werden. Im Sinne einer Bauteilüberwachung kann das eine Lastanzeige in der Anzeigeeinheit 12 sein, ein Speichern der Lastwerte in einem Fehlerspeicher oder dergleichen. Bei Überlast kann eine Sicherheitsabschaltung eines Mechanismus, in dem das Bauelement 2 verbaut ist, ausgelöst werden.
2 zeigt eine Bauteilanordnung 1 mit einem Bauelement 2 in einem speziellen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Soweit sich aus Nachstehendem nichts anderes ergibt, sind die Prinzipien und Erläuterungen des allgemeinen Ausführungsbeispiels gemäß 1 auch auf dieses spezielle Ausführungsbeispiel anwendbar.
In dem speziellen Ausführungsbeispiel gemäß 2 bildet das Bauelement 2 ein Federbauteil, genauer gesagt, eine Schraubenfeder aus. D. h., das Bauelement 2 weist eine Form eines wendelförmig gekrümmten Rohres auf, wobei die Faserverbundstruktur 3 eine Rohrwandung bildet und die Lichtleiteinheit 4 den Kern bildet.
Die Bauteilanordnung 1 weist neben dem Bauelement 2 (dem Federbauteil) selbst und der Steuerbaugruppe 9 eine erste Endbaugruppe 14 und eine zweite Endbaugruppe 15 auf, wobei die erste Endbaugruppe 14 als ein oberer Federteller, der das erste Ende 2a des Bauelements 2 aufnimmt, ausgebildet ist und die zweite Endbaugruppe 15 als ein unterer Federteller, der das zweite Ende 2b des Bauelements 2 aufnimmt, ausgebildet ist. Das zweite Ende 2b des Bauelements 2 ist parallel zu der zweiten Endbaugruppe 15 abgeschnitten, sodass das zweite Ende 2b des Bauelements 2 plan auf der zweiten Endbaugruppe 15 aufliegt. Ferner ist die zweite Endbaugruppe 15 im Bereich der Auflage des Bauelements 2 mit einer Verspiegelung versehen, die als Rückstrahleinheit 16 in dem Sinne wirkt, dass ein Lichtstrahl 6, der durch die Lichtleiteinheit 4 zu dem zweiten Ende 2b geleitet wird, durch die Rückstrahleinheit 16 in die Lichtleiteinheit 4 zurückgeworfen wird. Die erste Endbaugruppe 14 fasst sowohl die Lichtquelle 5 als auch die Detektionseinheit 7 mit den Sensoren 8 in einer einzigen Baueinheit zusammen. D. h., dass der Lichtstrahl 6, der durch die Lichtquelle 5 an dem ersten Ende 2a des Bauelements 2 in die Lichtleiteinheit 4 eintritt, an dem zweiten Ende 2b des Bauelements 2 zurückgestrahlt wird und durch die Lichtleiteinheit 4 zurück zu dem ersten Ende 2a des Bauelements 2 geleitet wird, um auf einen der Sensoren 8 der Detektoreinheit 7 zu fallen. Das Signal, das von der Detektoreinheit 7 im unbelasteten Zustand (oder in einem Referenzbelastungszustand) der Feder an die Auswerteeinheit 10 geliefert wird, kann als Referenzsignal in der Auswerteeinheit 10 gespeichert werden.
Sobald das Federbauteil, d. h., das Bauelement 2 zwischen den Federtellern, d. h., der ersten Endbaugruppe 14 und der zweiten Endbaugruppe 15 belastet (insbesondere gestaucht) wird, verformt sich die Faserverbundstruktur 3 und mit ihr die Lichtleiteinheit 4 des Bauelements 2, wodurch sich die Lichtleitungseigenschaften der Lichtleiteinheit 4 ändern und ein abgelenkter Lichtstrahl 6~ auf einen anderen der Sensoren 8 der Detektoreinheit 7 fällt. Das hierdurch von der Detektoreinheit 7 an die Auswerteeinheit 10 gelieferte Signal kann mit dem Referenzsignal verglichen werden und daraus ein Federweg des Bauelements 2 berechnet werden. Der Federweg des Bauelements 2 ist im Sinne der Erfindung eine Verformungsgröße.
3a und 3b zeigen die Bauteilanordnung 1 mit dem Bauelement 2 des vorherigen Ausführungsbeispiels in einer noch konkreteren Anwendung in einem Fahrzeug 17 als ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Gemäß der Darstellung in 3a und 3b weist das Fahrzeug 17 einen Rahmen 18 sowie ein Rad 19 auf, das über eine Radaufhängung 20 mit dem Rahmen 18 verbunden ist. Die Radaufhängung 20 weist, neben einer Anordnung von Radträger, Lenkern, Stabilisatoren etc., wie sie in vielfältiger Ausführung an sich bekannt sind und hier nicht näher detailliert werden, die Bauteilanordnung 1 aus 2 sowie einen Stoßdämpfer 21 auf. In der Bauteilanordnung 1 weist das Bauelement 2 die Funktion einer Tragfeder des Fahrzeugs 17 mit Endbaugruppen 14, 15 als Federtellern auf. Das Rad 19 ruht auf einem Untergrund 22. Der innere Aufbau des Bauelements 2, der Endbaugruppen 14, 15 ist in der Darstellung in 3a, 3b aus Gründen der Vereinfachung ebenso weggelassen wie die Steuerbaugruppe 9 und entspricht der Darstellung in 2 und diesbezüglicher Beschreibung.
In einem unbelasteten (d. h., nur durch das Fahrzeuggewicht belasteten) Zustand stellt sich eine Einfederung der Radaufhängung 20 bzw. ein Höhenstand des Rahmens 18 ein, die als Referenz- oder Nulllage bzw. als Referenzhöhe bezeichnet werden können. Diese Referenzlage ist in 3a dargestellt.
3b zeigt einen Zustand des Fahrzeugs 17, in welchem die Radaufhängung durch eine Last F (zusätzlich) belastet ist. Wie im Zusammenhang mit 2 beschrieben, ergibt sich durch die Einfederung des Bauelements 2 ein veränderter Strahlengang des Lichtstrahls 6 (abgelenkter Lichtstrahl 6~), der durch die Detektionseinheit 7 detektiert und durch die Auswerteeinheit 10 verarbeitet werden kann, um den Einfederungsweg bzw. den Höhenstand zu berechnen. Über die Aktorik 13 kann auch aktiv in eine Nachführung der Scheinwerfer, eine Fahrzeugniveauregulierung, eine Fahrzeugdämpferregelung oder andere Assistenzsysteme eingegriffen werden.
Es versteht sich, dass, obwohl in 3a, 3b nur ein Rad 19 mit Radaufhängung 20 dargestellt ist, das Fahrzeug 17 mehrere Räder aufweisen kann das vorstehend beschriebene Prinzip für jedes Rad des Fahrzeugs 17 Anwendung finden kann.
Die vorliegende Erfindung wurde vorstehend am Beispiel eines gewickelten Faserverbundbauteils beschrieben. Die grundlegende Idee ist jedoch für jede andere Tragstruktur, bspw. Gussteile, Rohre etc. anwendbar, indem eine Lichtleiteinheit in deren Innerem angeordnet wird, die bei Verformung der Tragstruktur mit verformt wird.
Die vorliegende Erfindung wurde am Beispiel eines monolithischen Silikonstrangs als Lichtleiteinheit 4 beschrieben. In einer Ausführungsvariante kann die Lichtleiteinheit 4 auch ein Lichtleitfaserbündel aufweisen. Anstelle eines Austrittswinkels kann es dabei auf andere charakteristische Eigenschaften des austretenden Lichts wie beispielsweise Laufzeit, Phase, Farbe, Intensität etc. ankommen, die durch eine Verformung verändert und, insbesondere im Verhältnis zwischen verschiedenen Fasern des Lichtleitfaserbündels, entsprechend detektiert bzw. ermittelt werden können.
Die Erfindung ist in ihrer Anwendung auch nicht auf Tragfedern von Kraftfahrzeugen beschränkt. Vielmehr kann die Erfindung überall dort angewendet werden, wo eine von außen nicht erkennbare Verformungsgröße (Biegung, Längung, Beulung) eines Bauteils detektiert werden soll. Im Fahrzeugbau kann eine solche Anwendung im Rahmen einer Aufprall- bzw. Unfalldetektion verwendet werden. Wenn beispielsweise das Bauelement 2 in einem Stoßfänger, einem Seitenschweller oder einer diesbezüglichen Aufhängung eingesetzt wird, können die Unfallfolgen lindernde Maßnahmen wie etwa eine Gurtstraffung, Auslösung von Airbags, etc., eingeleitet werden, noch bevor ein Aufprall die eigentliche Karosserie erreicht hat.
Bezugszeichenliste

1: Bauteilanordnung
2: Bauelement (Federbauteil/Tragfeder)
2a: erstes Ende
2b: zweites Ende
3: Faserverbundstruktur (Tragstruktur)
4: Lichtleiteinheit (Kern)
4a: Lichtreflexionsfläche (Innenoberfläche)
5: Lichtquelle
6: (ursprünglicher) Lichtstrahl
6~: abgelenkter Lichtstrahl
7: Detektionseinheit
8: Sensoren
9: Steuerbaugruppe
10: Auswerteeinheit
11: Steuergerät
12: Anzeigeeinheit
13: Aktorik
14: erste Endbaugruppe (oberer Federteller)
15: zweite Endbaugruppe (unterer Federteller)
16: Rückstrahleinheit (Verspiegelung)
17: Fahrzeug
18: Rahmen
19: Rad
20: Radaufhängung
21: Stoßdämpfer
22: Untergrund
F: Last

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 2145781 A1 [0004]
EP 2116832 A1 [0005]
DE 102009020115 B4 [0006]
DE 102009054458 A1 [0007]

Claims

Bauelement (2), insbesondere für den Fahrzeugbau, aufweisend eine Faserverbundstruktur (3) und eine im Inneren der Faserverbundstruktur (3) angeordnete Lichtleiteinheit (4), wobei die Lichtleiteinheit (4) so ausgebildet und angeordnet ist, dass die Lichtleiteinheit (4) bei Verformung der Faserverbundstruktur (3) derart mit verformt wird, dass sich eine Lichtleitungseigenschaft der Lichtleiteinheit (4) ändert.
Bauelement (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserverbundstruktur (3) um die Lichtleiteinheit (4) gewickelt oder geflochten ist.
Bauelement (2) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtleiteinheit (4) einen klaren Silikonstrang oder eine Lichtleitfaseranordnung mit lichtleitenden Glasfasern oder lichtleitenden Polymerfasern aufweist oder daraus besteht.
Bauelement (2) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauelement (2) ein Federbauteil, vorzugsweise in Form einer Schraubenfeder, ausbildet.
Bauteilanordnung (1), insbesondere für den Fahrzeugbau, aufweisend – ein Bauelement (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche; – eine Lichtquelle (5), die an einem ersten Ende (2a) des Bauelements (2) derart angeordnet ist, dass ein von der Lichtquelle (5) emittiertes Licht in die Lichtleiteinheit (4) fällt und durch die Lichtleiteinheit (4) zu einem zweiten Ende (2b) des Bauelements (2) geleitet wird, wobei die Lichtquelle (5) vorzugsweise eine Laserlichtquelle ist; und – eine Detektionseinheit (7) zur Detektion von aus der Lichtleiteinheit (4) austretendem Licht.
Bauteilanordnung (1) gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionseinheit (7) an dem zweiten Ende (2b) des Bauelements (2) derart angeordnet ist, dass ein durch die Lichtleiteinheit (4) zu dem zweiten Ende (2b) des Bauelements (2) geleitetes Licht auf oder in die Detektionseinheit (7) fällt.
Bauteilanordnung (1) gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionseinheit (7) an dem ersten Ende (2a) des Bauelements (2) derart angeordnet ist, dass ein durch die Lichtleiteinheit (4) zu dem ersten Ende (2a) des Bauelements (2) geleitetes Licht auf oder in die Detektionseinheit (7) fällt, wobei vorzugsweise die Lichtquelle (5) und die Detektionseinheit (7) in einer Baueinheit zusammengefasst sind, und eine Rückstrahleinheit (16) an dem zweiten Ende (2b) des Bauelements (2) derart angeordnet ist, dass ein durch die Lichtleiteinheit (4) zu dem zweiten Ende (2b) des Bauelements (2) geleitetes Licht so auf oder in die Rückstrahleinheit (16) fällt, dass durch die Rückstrahleinheit (16) zurückgestrahltes Licht in die Lichtleiteinheit (4) eintritt und durch die Lichtleiteinheit (4) zu dem ersten Ende (2a) des Bauelements (2) geleitet wird.
Bauteilanordnung (1) gemäß einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionseinheit (7) zur Erfassung eines Austrittswinkels des aus der Lichtleiteinheit (4) austretenden Lichts ausgebildet ist, wobei die Detektionseinheit (7) vorzugsweise ein, insbesondere räumliches, Array von Lichtsensoren (8) aufweist, wobei die Lichtquelle (5) vorzugsweise zur Einleitung von Licht mit einem vorgegebenen Eintrittswinkel in die Lichtleiteinheit (4) ausgebildet ist.
Bauteilanordnung (1) gemäß einem der Ansprüche 5 bis 8, weiter gekennzeichnet durch eine Steuerbaugruppe (9), die wenigstens eines von Elementen aufweist aus der Gruppe, welche aufweist: – eine Auswerteeinheit (10) zum Auswerten von Signalen der Detektionseinheit, – eine Anzeigeeinheit (12) zum Anzeigen eines Auswerteergebnisses der Auswerteeinheit (10), – eine Aktorik (13) zum Ansteuern von Stellern auf der Grundlage eines Auswerteergebnisses der Auswerteeinheit (10), – ein Steuergerät (11) zum Verarbeiten eines Auswerteergebnisses der Auswerteeinheit (10) und/oder zum Ansteuern der Anzeigeeinheit (12) und/oder der Aktorik (13).
Verfahren zur Verformungsdetektion an einem Bauelement (2), insbesondere eines Fahrzeugs, wobei das Bauelement (2) eine Faserverbundstruktur (3) aufweist, mit den Schritten: a) Ansteuern einer Lichtquelle (5), um Licht in eine im Inneren der Faserverbundstruktur (3) angeordnete Lichtleiteinheit (4) zu senden, b) Detektieren eines aus der Lichtleiteinheit (4) austretenden Lichts, c) Ermitteln wenigstens einer charakteristischen Eigenschaft des aus der Lichtleiteinheit (4) austretenden Lichts; d) Berechnen einer Verformungsgröße des Bauelements (2) durch Auswerten der charakteristischen Eigenschaft des aus der Lichtleiteinheit (4) austretenden Lichts.
Verfahren gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Auswerten der charakteristischen Eigenschaft einen Vergleich mit einer Referenzgröße der charakteristischen Eigenschaft umfasst, wobei die Referenzgröße in einem Referenz-Verformungszustand des Bauelements (2) erfasst wird, wobei der Referenz-Verformungszustand insbesondere ein unverformter Zustand oder ein definierter Lastfall ist.
Verfahren gemäß Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die charakteristischen Eigenschaft ein Austrittswinkel des aus der Lichtleiteinheit (4) austretenden Lichts ist, wobei das Licht vorzugsweise mit einem vorbestimmten Eintrittswinkel in die Lichtleiteinheit (4) gesendet wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das in die Lichtleiteinheit (4) gesendete Licht Laserlicht ist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauelement (2) gemäß Anspruch 4 ausgebildet ist, wobei die Verformungsgröße ein Federweg des Bauelements (2) ist.