DE102016211054A1

DE102016211054A1 - Kollisionsschutzverfahren für ein motorisch bewegliches Kraftfahrzeugteil sowie zugehörige Vorrichtung

Info

Publication number: DE102016211054A1
Application number: DE102016211054.3A
Authority: DE
Inventors: Bernd Herthan; Florian Pohl
Original assignee: Brose Fahrzeugteile SE and Co KG
Current assignee: Brose Fahrzeugteile SE and Co KG
Priority date: 2016-06-21
Filing date: 2016-06-21
Publication date: 2017-12-21

Abstract

Es werden ein Kollisionsschutzverfahren für ein motorisch bewegliches Kraftfahrzeugteil (2) und eine zugehörige Kollisionsschutzeinheit (20) angegeben. Weiterhin wird eine Stellvorrichtung (10) für ein bewegliches Kraftfahrzeugteil (2) angegeben, die diese Kollisionsschutzeinheit (20) umfasst. Dabei ist vorgesehen, während eines Stellvorgangs, bei dem das Kraftfahrzeugteil (2) mittels eines Stellmotors (11) bewegt wird, mittels eines kapazitiven Näherungssensors (21) ein Messsignal (ΔM) zu erfassen, das für die Anwesenheit oder Abwesenheit eines Hindernisses in dem Stellweg (8) des Kraftfahrzeugteils (2) charakteristisch ist. Das Messsignal (ΔM) wird mit einem vorgegebenen Vorwarnschwellwert (W) verglichen. Wenn das Messsignal (ΔM) den Vorwarnschwellwert (W) überschreitet, wird eine weitere Änderung des Messsignals (ΔM) überwacht. Dabei wird der Stellvorgang abgebrochen, wenn die weitere Änderung des Messsignals (ΔM) ein vorgegebenes Auslösekriterium oder eine Kombination mehrerer vorgegebener Auslösekriterien erfüllt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Kollisionsschutzverfahren für ein motorisch bewegliches Kraftfahrzeugteil. Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf eine zugehörige Kollisionsschutzeinheit. Sie bezieht sich ferner auf eine Stellvorrichtung zur motorischen Verstellung eines beweglichen Kraftfahrzeugteils mit einer solchen Kollisionsschutzeinheit.
Kollisionsschutzverfahren und zugehörige Vorrichtungen werden bei Kraftfahrzeugen häufig zur Detektion von Hindernissen im Stellweg von Fahrzeugteilen eingesetzt, die gegenüber einem festen Rahmen beweglich ist. Bei dem – nachfolgend auch als „Verstellelement“ bezeichneten – Fahrzeugteil handelt es sich insbesondere um eine Heckklappe eines Kraftfahrzeugs. Im Rahmen der Erfindung kann das zu überwachende Fahrzeugteil bzw. Verstellelement aber auch eine Seitentür (insbesondere eine Schiebetür), eine Kofferraum- oder Motorraumklappe, ein Schiebedach, ein Klappverdeck oder ein Fahrzeugsitz sein. Kollisionsschutzvorrichtungen werden dabei insbesondere dann eingesetzt, wenn das Verstellelement motorisch bewegt wird.
Als Stellweg wird der Raum bezeichnet, den das Verstellelement während einer Verstellbewegung durchstreift. Zu dem Stellweg von Verstellelementen wie zum Beispiel einer Fahrzeugtür oder einer Heckklappe, die zwischen einer Öffnungsstellung und einer Schließstellung verstellbar sind, gehört insbesondere der Raumbereich, der zwischen einer Schließkante des Verstellelements und einer in der Schließstellung des Verstellelements an dieser anliegenden, korrespondierenden Kante des feststehenden Rahmens angeordnet ist.
Beim Schließen von Verstellelementen eines Fahrzeugs, insbesondere einer Heckklappe, besteht generell die Gefahr, dass Körperteile oder sonstige Gegenstände zwischen dem Verstellelement und dem feststehenden Rahmen eingeklemmt werden. Die in diesem Anwendungsfall auch als Einklemmschutzvorrichtung bezeichnete Kollisionsschutzvorrichtung dient zur Vermeidung eines solchen Einklemmfalls und der daraus resultierenden Gefahr eines Personen- und/oder Sachschadens, indem die Kollisionsschutzvorrichtung Hindernisse in dem Stellweg erkennt und in diesem Fall die Schließbewegung stoppt oder reversiert.
Eine solche Kollisionsschutzvorrichtung kann des Weiteren auch eingesetzt werden, um Hindernisse zu erkennen, die der Öffnung des Verstellelements im Wege stehen. Auch in diesem Anwendungsfall stoppt oder reversiert die Kollisionsschutzvorrichtung die Bewegung des Verstellelements, wenn sie ein solches Hindernis erkennt, um einen Schaden infolge einer Kollision des Verstellelements mit dem Hindernis zu vermeiden.
Es wird hierbei zwischen indirekten und direkten Kollisionsschutzvorrichtungen unterschieden. Eine indirekte (kraftbasierte) Kollisionsschutzvorrichtung erkennt den Einklemm- oder Kollisionsfall anhand einer Überwachung einer Betriebsgröße (z.B. des Motorstroms oder der Drehzahl) des das Verstellelement antreibenden Stellmotors, anhand der Kraft, die das Hindernis der Verstellung des Verstellelements entgegensetzt. Hierfür wird ausgenützt, dass diese Kraft zu einem anormalen Verhalten der überwachten Betriebsgröße (z.B. einem anormalen Anstieg des Motorstroms sowie einer anormalen Abnahme der Motordrehzahl) führt.
Eine direkte Kollisionsschutzvorrichtung umfasst dagegen üblicherweise einen oder mehrere Sensoren, die eine für die Anwesenheit bzw. Abwesenheit eines Hindernisses im Stellweg charakteristische Messgröße erfassen, sowie eine Auswerteeinheit, die anhand dieser Messgröße entscheidet, ob ein Hindernis im Stellweg vorliegt und gegebenenfalls entsprechende Gegenmaßnahmen auslöst.
Unter den direkten Kollisionsschutzvorrichtungen unterscheidet man wiederum Systeme mit so genannten Berührungssensoren, die die Anwesenheit eines Hindernisses erst anzeigen, wenn das Hindernis den Sensor bereits berührt, und Systeme mit berührungslosen Sensoren, die ein Hindernis bereits in einem gewissen Abstand zu dem Sensor detektieren. Zu den berührungslosen Sensoren gehören insbesondere so genannte kapazitive Näherungssensoren.
Ein kapazitiver Näherungssensor umfasst üblicherweise eine Elektrodenanordnung mit einer oder mehreren Sensorelektroden, über die ein elektrisches Feld im Stellweg des Verstellelements aufgebaut wird. Ein Hindernis im Stellweg wird durch Überwachung der Kapazität der Elektrodenanordnung erkannt. Hierbei wird ausgenutzt, dass ein Hindernis, insbesondere ein menschliches Körperteil, das von dem Sensor erzeugte elektrische Feld und somit die Kapazität der Elektrodenanordnung beeinflusst.
In einer üblichen Bauform eines solchen kapazitiven Näherungssensors umfasst die Elektrodenanordnung dieses Sensors mindestens eine Sendeelektrode sowie eine Empfangselektrode. Ein solcher Sensor emittiert über die Sendeelektrode ein elektrisches Wechselfeld und misst an der Empfangselektrode die Kapazität des durch die Sendeelektrode und die Empfangselektrode gebildeten Kondensators. Eine zur Überwachung des Stellwegs einer Heckklappe vorgesehene Kollisionsschutzvorrichtung bzw. Einklemmschutzvorrichtung mit einem solchen kapazitiven Näherungssensor ist aus DE 20 2007 008 440 U1 oder DE 20 2012 005 718 U1 bekannt.
In einer alternativen Bauform umfasst ein solcher kapazitiver Näherungssensor eine einzige Sensorelektrode oder mehrere gleichartige (nicht als Sende- oder Empfangselektroden spezifizierte) Sensorelektroden, mittels welcher ein elektrisches Feld gegenüber Masse, beispielsweise einem geerdeten Fahrzeugteil aufgebaut wird. Die Sensorelektrode ist hierbei mit einem Kapazitätsmessglied verschaltet, dass dazu eingerichtet ist, die Kapazität der Elektrode gegen Masse zu messen.
Nachteiligerweise haben kapazitive Näherungssensoren ein gewisse Anfälligkeit gegenüber elektromagnetischen Störsignalen, da solche Störsignale unter Umständen eine Kapazitätsänderung vortäuschen können, wie sie typisch für die Anwesenheit eines Hindernisses im Stellweg des Verstellelements sind. In diesem Fall kann es einer Fehlauslösung des Kollisionsschutzes, und somit zu einem fehlerhaften Abbruch des laufenden Stellvorgangs kommen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Fehlersicherheit eines auf berührungsloser kapazitiver Messtechnik beruhenden Kollisionsschutzes zu verbessern.
Bezüglich eines Kollisionsschutzverfahrens für ein motorisch bewegliches Kraftfahrzeugteil wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Bezüglich einer zugehörigen Kollisionsschutzeinheit wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 10. Bezüglich einer Stellvorrichtung zur motorischen Verstellung eines beweglichen Kraftfahrzeugteils wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 11.
Im Zuge des Kollisionsschutzverfahrens wird während eines Stellvorgangs, bei dem das zu verstellende Kraftfahrzeugteil („Verstellelement“) mittels eines Stellmotors zwischen einer Ausgangsposition und einer vorgesehenen Endposition verstellt wird, mittels eines kapazitiven Näherungssensors ein Messsignal erfasst, das für die Anwesenheit oder Abwesenheit eines Hindernisses in dem Stellweg des Verstellelements charakteristisch ist. Das von dem kapazitiven Näherungssensor erfasste Messsignal wird mit einem vorgegebenen Vorwarnschwellwert verglichen. Wenn das Messsignal den Vorwarnschwellwert überschreitet, wird – anders als bei üblichen Kollisionsschutzverfahren – der laufende Stellvorgang nicht unmittelbar abgebrochen. Vielmehr wird, wenn das Messsignal den Vorwarnschwellwert überschreitet, zunächst eine weitere Änderung des Messsignals überwacht und mit einem vorgegebenen Auslösekriterium verglichen. Der Stellvorgang wird erst dann abgebrochen, wenn die weitere Änderung des Messsignals das Auslösekriterium erfüllt. Anstelle eines einzelnen Auslösekriteriums können auch mehrere vorgegebene Auslösekriterien auf Erfüllung überprüft werden.
In diesem Fall wird die Verstellung des Kraftfahrzeugteils nur dann abgebrochen, wenn die weitere Änderung des Messsignals eine bestimmte Kombination mehrerer Auslösekriterien erfüllt. Das Verfahren wird insbesondere bei einem automatischen Stellvorgang angewendet, bei dem die Verstellung des Verstellelements ohne ständige Nutzerinteraktion (z.B. ohne andauernde Betätigung einer Bedientaste) erfolgt.
Dem erfindungsgemäßen Kollisionsschutzverfahren liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass bei üblichen Kollisionsschutzvorrichtungen das von dem kapazitiven Näherungssensor ausgegebene Messsignal im Falle einer Störung die herkömmlicherweise vorgegebenen Auslöseschwellwerte oft nur geringfügig sowie häufig nur zeitlich vorübergehend überschreitet. Dagegen führt ein echtes Hindernis im Stellweg des überwachten Verstellelements regelmäßig dazu, dass – auch wenn der Stellmotor sofort abgeschaltet wird – die Messgröße des kapazitiven Näherungssensors sich auch nach der ersten Detektion des Hindernisses noch in signifikantem Umfang weiter ändert, so dass die üblicherweise vorgegebenen Auslöseschwellwerte häufig erheblich überschritten werden. Dies liegt daran, dass sich das Verstellelement auch in diesem Fall aufgrund seines spiel- und trägheitsbedingten Nachlaufs auch noch nach dem Abschalten des Stellmotors weiter an das Hindernis annähert, bevor die Stellbewegung zum Erliegen kommt.
Der Begriff „(Schwellwert-)Überschreitung“ ist hier und im Folgenenden stets richtungsunabhängig zu verstehen in dem Sinne, dass die Differenz des Messwertes und des Vorwarnschwellwertes das Vorzeichen wechselt. Je nach der konkreten Bauform des kapazitiven Näherungssensors wird das von diesem ausgegebenen Messsignal dabei bei hinreichender Annäherung an das detektierte Hindernis größer oder kleiner als der Vorwarnschwellwert.
Durch die erfindungsgemäße, zweistufige Prüfung, bei der das Messsignal zunächst mit dem Vorwarnschwellwert verglichen wird, und im Falle einer Schwellwertüberschreitung die weitere Änderung des Messwerts dann mit dem Auslösekriterium verglichen wird, wird somit auf vergleichsweise einfache, aber dennoch effektive Weise ermöglicht, echte (d.h., auf der Anwesenheit eines Hindernisses im Stellweg des Verstellelements beruhende) drohende Kollisionsfälle von störungsbedingten Fehlereignissen zu unterscheiden. Die Fehlersicherheit des Kollisionsschutzverfahrens wird hierdurch entscheidend verbessert.
Grundsätzlich kann im Zuge des erfindungsgemäßen Kollisionsschutzverfahrens vorgesehen sein, dass nach einer detektierten Überschreitung des Vorwarnschwellwertes durch das Messsignal die Verstellung des Verstellelements mit unverminderter Stellgeschwindigkeit fortgeführt wird. Vorzugsweise wird die Verstellung des Verstellelements aber bereits mit der Feststellung der Schwellwertüberschreitung (vorläufig) angehalten. In einer ebenfalls zweckmäßigen Variante des Verfahrens wird die Verstellung des Verstellelements bei Feststellung der Schwellwertüberschreitung verlangsamt, das heißt mit reduzierter Stellgeschwindigkeit fortgeführt. Im Falle eines späteren Abbruchs des Stellvorgangs wird die Verstellung des Verstellelements dann endgültig eingestellt und bis zum Empfang eines erneuten Befehls zur Durchführung eines Stellvorgangs nicht wieder aufgenommen. Wird das Auslösekriterium dagegen nicht erfüllt, so wird vorzugsweise die Verstellung des Verstellelements wieder aufgenommen, und der Stellvorgang somit zu Ende geführt.
Als Auslösekriterium für den Abbruch des Stellvorgangs wird vorzugsweise herangezogen, dass sich die Änderung des Messsignals nach der Überschreitung des Vorwarnschwellwerts um mehr als einen vorgegebenen Toleranzbereich fortsetzt, dass sich das Messsignal also gleichläufig mit seinem Verlauf vor der Überschreitung des Vorwarnschwellwerts weiter ändert. Insbesondere ist im Rahmen des Auslösekriteriums in diesem Sinne ein zweiter Schwellwert vorgegeben, der mit vorgegebenem Abstand oberhalb oder unterhalb des Vorwarnschwellwertes angesetzt ist. Das Auslösekriterium ist dabei dann erfüllt, wenn das Messsignal auch diesen Auslöseschwellwert überschreitet.
Sofern bei Überschreitung des Vorwarnschwellwerts die Verstellung des Verstellelements mit reduzierter Stellgeschwindigkeit fortgesetzt wird, wird als (alleiniges oder zusätzliches) Auslösekriterium vorzugsweise herangezogen, dass sich die Änderung des Messsignals nach der Überschreitung des Vorwarnschwellwerts in einem Ausmaß verlangsamt, das mit der Reduzierung der Stellgeschwindigkeit korreliert ist.
Sofern nach einer festgestellten Überschreitung des Vorwarnschwellwerts das Messsignal das Auslösekriterium (beziehungsweise die Kombination von Auslösekriterien) nicht erfüllt, wird die Verstellung des Fahrzeugteils in bevorzugter Ausführung des Verfahrens fortgeführt oder wieder aufgenommen. Der Stellvorgang wird in diesem Fall also zu Ende geführt. In einer einfachen und zweckmäßigen Ausführung des Verfahrens wird die Verstellung des Fahrzeugteils hierbei in jedem Fall wieder mit der ursprünglichen Stellgeschwindigkeit aufgenommen.
In einer verfeinerten Variante des Verfahrens wird die Erfüllung oder Nicht-Erfüllung des Auslösekriteriums nicht lediglich qualitativ (binär) festgestellt. Vielmehr wird in dieser Verfahrensvariante (z.B. auf einer kontinuierlichen oder mehr als zweistufigen Skala) quantitativ angegeben, inwieweit das Messsignal das Auslösekriterium beziehungsweise die Kombination von Auslösekriterien erfüllt sind. Hierbei wird der Stellvorgang nur dann abgebrochen, wenn das Auslösekriterium beziehungsweise die Kombination von Auslösekriterien gänzlich (in vollem Umfang) erfüllt wurden. Ansonsten wird der Stellvorgang mit einer Stellgeschwindigkeit fortgeführt, die von dem Ausmaß abhängt, in dem das Auslösekriterium beziehungsweise die Kombination von Auslösekriterien erfüllt wurden.
Insbesondere wird die Verstellung des Verstellelements hierbei mit der ursprünglichen Stellgeschwindigkeit fortgeführt, wenn das Auslösekriterium durch die weitere Änderung der Messgröße deutlich verfehlt wurde, was als eindeutiger Hinweis auf eine Störung gewertet wird. Dagegen wird die Verstellung des Verstellelements vorzugsweise mit reduzierter Stellgeschwindigkeit fortgeführt, wenn das Auslösekriterium nur teilweise erfüllt oder knapp verfehlt wurde.
Sofern die Verstellung des Kraftfahrzeugteils – bei Überschreitung des Vorwahnschwellwerts oder nur teilweise Erfüllung des Auslösekriteriums bzw. der Kombination von Auslösekriterien – mit reduzierter Stellgeschwindigkeit fortgeführt wird, wird optional zusätzlich zu dem vorstehend beschriebenen, direkten Kollisionsschutzverfahren ein indirekter (kraftbasierter) Einklemmschutzprozess aktiviert oder hinsichtlich seiner vorgegebenen Auslöseschwelle sensibler geschaltet. Somit wird ermöglicht, den laufenden Stellvorgang zunächst weiterzuführen, die Verstellung des Verstellelements aber besonders schnell und risikolos einstellen zu können, falls sich doch ein Hindernis im Stellweg befinden sollte.
In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird zusätzlich ein visuelles oder akustisches Warnsignal erzeugt, wenn das Messsignal den Vorwarnschwellwert überschreitet.
Die erfindungsgemäße Kollisionsschutzeinheit umfasst einen kapazitiven Näherungssensor sowie eine Steuereinheit. Die Kollisionsschutzeinheit ist allgemein zur automatischen Durchführung des vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Kollisionsschutzverfahrens, insbesondere in einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsvarianten eingerichtet. Den einzelnen Ausführungsvarianten des Kollisionsschutzverfahrens entsprechen insofern jeweils zugehörige Ausführungsformen der Kollisionsschutzeinheit.
Die Steuereinheit der Kollisionsschutzeinheit dient zur Ansteuerung des Näherungssensors und zur Auswertung des von letzterem erfassten Messsignals. Die Steuereinheit ist dabei vorzugsweise durch einen Mikrokontroller mit einer darin implementierten Steuersoftware gebildet, bei deren Ablauf auf dem Mikrokontroller das Kollisionsschutzverfahren automatisch durchgeführt wird. Die Steuereinheit kann abweichend im Rahmen der Erfindung allerdings auch als nichtprogrammierbares elektronisches Bauteil, beispielsweise als anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreis (ASIC), ausgebildet sein.
Der Näherungssensor ist vorzugsweise an dem Verstellelement angebracht oder zur Anbringung an dem Verstellelement eingerichtet.
Die erfindungsgemäße Stellvorrichtung weist zur motorischen Verstellung eines beweglichen Kraftfahrzeugteils einen (insbesondere elektrischen) Stellmotor sowie eine Stellmechanik auf, über welche der Stellmotor mit dem Verstellelement zu dessen Verstellung mechanisch gekoppelt oder (im nicht verbauten Zustand) koppelbar ist. Die Stellvorrichtung umfasst weiterhin ein Motorsteuergerät zur Ansteuerung des Stellmotors, bei dem es sich vorzugsweise um einen Mikrokontroller mit einer darin implementierten Steuersoftware handelt. Weiterhin umfasst die Stellvorrichtung die vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Kollisionsschutzeinheit. Das Steuergerät und die Kollisionsschutzeinheit können hierbei im Rahmen der Erfindung entweder als getrennte Bauteile realisiert oder in einem gemeinsamen Bauteil, zum Beispiel als funktionale Einheiten ein und desselben Mikrokontrollers, realisiert sein.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhang einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
1 in schematischer Darstellung das Heck eines Kraftfahrzeugs mit einer sich in einer Schließstellung befindenden Heckklappe,
2 in Darstellung gemäß 1 das Fahrzeugheck, wobei die Heckklappe in unterschiedlichen Öffnungsstellungen dargestellt ist,
3 in einem schematischen Blockschaltbild eine Stellvorrichtung zur motorischen Verstellung der Heckklappe mit einer zugeordneten Kollisionsschutzeinheit (hier in der Anwendung als Einklemmschutzvorrichtung), die einen kapazitiven Näherungssensor umfasst,
4 in drei übereinander angeordneten synchronen Diagrammen jeweils gegen die Zeit für einen drohenden Einklemmfall während eines automatischen Schließvorgangs der Hecklappe einen typischen Verlauf der von der Stellvorrichtung eingestellten Stellgeschwindigkeit (oberes Diagramm), den Verlauf der Stellposition der Heckklappe (mittleres Diagramm) und den Verlauf eines Differenzsignals (unteres Diagramm), das aus der Differenz einer von dem Näherungssensor erfassten (Kapazitäts-)Messgröße und eines vorgegebenen Offset-Signals gebildet wird,
5 in Darstellung gemäß 4 den Verlauf der Stellgeschwindigkeit, der Stellposition und des Differenzsignals bei einer während des Schließvorgangs auftretenden Störung,
6 in Darstellung gemäß 4 den Verlauf der Stellgeschwindigkeit, der Stellposition und der Messgröße bei einer modifizierten Ausführung der Kollisionseinheit für einen drohenden Einklemmfall während des Schließvorgangs, und
7 in Darstellung gemäß 4 bei der modifizierten Ausführung der Kollisionseinheit den Verlauf der Stellgeschwindigkeit, der Stellposition und des Differenzsignals bei einer Störung.
Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren stets mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Die 1 und 2 zeigen in schematischer Darstellung das Heck eines Kraftfahrzeugs 1 mit einer schwenkbaren Heckklappe 2.
Die Heckklappe 2 ist im Bereich einer Oberkante 3 an einer Karosserie 4 des Kraftfahrzeugs 1 angelenkt. Die Oberkante 3 definiert hierbei eine Schwenkachse, um welche die Heckklappe 2 aus einer in 1 dargestellten Schließstellung 5 reversibel in eine in 2 gestrichelt angedeutete Öffnungsstellung 6 schwenkbar ist. 2 zeigt weiterhin eine Zwischenstellung 7, in welcher die Heckklappe 2 teilweise geöffnet ist.
Bei einer Bewegung zwischen der Schließstellung 5 und der Öffnungsstellung 6 durchstreift die Heckklappe 2 hierbei ein Raumvolumen, das nachfolgend als Stellweg 8 bezeichnet ist. Die Position, die die Heckklappe 2 auf diesem Stellweg 8 einnimmt, ist nachfolgend allgemein als Stellposition x bezeichnet, wobei diese Größe als zeitabhängige Variable aufzufassen ist, die beispielsweise in der Öffnungsstellung 6 den Wert Null, und in der Schließstellungen einen von Null verschiedenen, positiven Wert aufweist.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Heckklappe 2 durch eine in 3 schematisch skizzierte Stellvorrichtung 10 motorisch zwischen der Schließstellung 5 und der Öffnungsstellung 6 verstellbar.
Die in 3 nur grob skizzierte Stellvorrichtung 10 umfasst einen elektrischen Stellmotor 11, der über eine Stellmechanik 12 mit der Heckklappe 2 gekoppelt ist. Teil der Stellmechanik 12 ist hierbei ein teleskopierbarer Hebelarm 13, der exzentrisch bezüglich der Schwenkachse an der Karosserie 4 und der Heckklappe 2 derart angelenkt ist, dass durch Verlängerung bzw. Verkürzung des Hebelarms 13 die Heckklappe 2 zwischen der Schließstellung 5 und der Öffnungsstellung 6 geschwenkt wird. Der Hebelarm 13 umfasst ein Zylinderrohr 14, in dem eine von dem Stellmotor 11 angetriebene Spindel 15 verschiebbar geführt ist.
Der Stellmotor 11 wird von einem Motorsteuergerät 16 angesteuert, das beispielsweise durch einen Mikrocontroller mit einer darin implementierten Steuersoftware gebildet ist.
Beim Verstellen, insbesondere beim Schließen der Heckklappe 2, besteht stets ein gewisses Risiko, dass ein sich im Stellweg 8 befindendes Hindernis, insbesondere ein Körperteil eines Fahrzeugbenutzers (wie zum Beispiel eine Hand oder ein Finger) eingeklemmt wird. Ein diesbezüglich relevanter Gefährdungsbereich ist vorrangig zwischen einer Schließkante 17 der Heckklappe 2 und einer gegenüberliegenden Kante 18 der Karosserie 4 aufgespannt.
Zur rechtzeitigen Erkennung und Vermeidung eines Einklemmfalls ist der Stellvorrichtung 10 eine Kollisionsschutzeinheit 20 beigeordnet, die ebenfalls grob schematisch in 3 skizziert ist. Die Kollisionsschutzeinheit 20 umfasst einen kapazitiven (Näherungs-)Sensor 21 sowie eine Steuereinheit 22. Die Steuereinheit 22 ist durch einen Mikrocontroller mit einer darin implementierten Steuersoftware gebildet.
Der Näherungssensor 21 umfasst eine nicht näher dargestellte Elektrodenanordnung, durch die ein elektrisches Feld in dem Stellweg 8 erzeugt wird. Beispielsweise umfasst die Elektrodenanordnung eine Sendeelektrode und eine Empfangselektrode in Form von länglichen Elektrodenstreifen, die sich parallel zueinander um die Schließkante 17 der Heckklappe 2 herum erstrecken.
Im Betrieb des Sensors 21 wird durch Applikation einer elektrischen Wechselspannung auf die Sendeelektroden ein elektrisches Feld in dem Stellweg 8 erzeugt. An der Empfangselektrode wird der unter Wirkung des elektrischen Feldes erzeugte Verschiebestrom gemessen. Der Sensor 21 berechnet hieraus eine (Kapazitäts-)Messgröße M, deren Wert beispielsweise invers (auch: reziprok oder gegenläufig) proportional zu der gemessenen Kapazität des Sensors 21 ist. Als Kapazität des Sensors 21 ist hierbei die (elektrische) Kapazität des durch die Sendeelektrode und die Empfangselektrode gebildeten Kondensators bezeichnet. Von der Messgröße M, die ein Maß für den Absolutwert der Kapazität des Sensors 21 darstellt, subtrahiert der Näherungssensor 21 einen Offsetwert O. Der Offsetwert O ist dabei variabel als Funktion der Stellposition x vorgegeben, so dass in einem aus der Differenz der Messgröße M und des Offsetwerts O resultierenden Differenzsignal ΔM die stellpositionsabhängige Änderung der Kapazität kompensiert ist. Dieses Differenzsignal ΔM, das einen Rückschluss auf die Anwesenheit oder Abwesenheit eines Hindernisses in dem Stellweg 8 zulässt, führt der Sensor 21 der Auswerteeinheit 22 zu.
Alternativ hierzu führt der Sensor 21 der Steuereinheit 22 die Kapazitätsmessgröße M zu. In diesem Fall wird das Differenzsignal ΔM von der Steuereinheit 22 aus der Differenz der Messgröße M und des Offsetwertes O berechnet. Die zur Berechnung des Differenzsignals ΔM erforderliche Information über die Stellposition x erhalten der Sensor 21 oder die Steuereinheit 22 jeweils von dem Motorsteuergerät 16.
Die Steuereinheit 22 erkennt durch Überprüfung des Differenzsignals ΔM, ob ein Hindernis in dem Stellweg 8 vorhanden ist und somit ein Einklemmfall vorliegt. Gegebenenfalls sendet die Auswerteeinheit 22 Steuersignale C an das Motorsteuergerät 16, aufgrund welcher dieses den Stellmotor 11 in der nachstehend näher beschriebenen Weise ansteuert. Bei Erkennung eines Einklemmfalles wird dabei der Schließvorgang der Heckklappe 2 abgebrochen. Optional wird zuvor die Stellbewegung reversiert, indem die Heckklappe 2 um einen vorgegebenen Stellwegabschnitt geöffnet wird.
Ein in den Stellweg 8 der Heckklappe 2 eingebrachtes Hindernis in Form eines menschlichen Körperteils erniedrigt die gemessene Kapazität des Sensors 21, zumal das Körperteil aufgrund der kapazitiven Kopplung mit dem Erdboden das elektrische Feld des Sensors partiell abschirmt. Die Anwesenheit eines Hindernisses in dem Stellweg 8 äußert sich daher in einem anormalen Anstieg der (invers kapazitätsproportionalen) Messgröße M und insbesondere auch in einem Anstieg des Differenzsignals ΔM.
Ein solcher drohender Einklemmfall während eines automatischen Schließvorgangs ist exemplarisch in 4 anhand von drei synchronen Diagrammen dargestellt, die jeweils gegen die Zeit t den zeitlichen Verlauf einer von dem Motorsteuergerät 16 durch entsprechende Ansteuerung des Stellmotors 11 eingestellten Stellgeschwindigkeit v (oberes Diagramm), den Verlauf der Stellposition x (mittleres Diagramm) sowie den Verlauf des aus der Messgröße M abgeleiteten Differenzsignals ΔM zeigen.
Das Eindringen des Hindernisses in den Stellweg 8 erfolgt hierbei zu einem Zeitpunkt t1 und ist an dem darauf folgenden Anstieg des Differenzsignals ΔM zu erkennen – im ungestörten Fall, also in Abwesenheit des Hindernisses, wäre dagegen mit einem zeitlich etwa konstanten Verlauf des Differenzsignals ΔM zu rechnen, zumal intrinsische Abhängigkeiten der Messgröße M von der Stellposition x durch die Verrechnung mit dem Offsetwert O kompensiert sind.
In Folge des fortgesetzten Schließvorgangs nimmt der Wert des Differenzsignals ΔM durch zunehmende Annäherung der Heckklappe 2 an das Hindernis sukzessive zu, bis das Differenzsignal ΔM zu einem Zeitpunkt t2 einen in der Steuereinheit 22 hinterlegten Vorwarnschwellwert W überschreitet. Die Steuereinheit 22, die während des Schließens der Heckklappe 2 den Differenzwert ΔM fortlaufend mit dem Vorwarnschwellwert W vergleicht, sendet ein Steuersignal C (3) an das Motorsteuergerät 16 des Stellmotors 11, aufgrund dessen das Motorsteuergerät 16 den Stellmotor 11 vorläufig abschaltet. In 4 ist das daran zu erkennen, dass die eingestellte Stellgeschwindigkeit v zum Zeitpunkt t2 auf 0 absinkt.
Tatsächlich kommt die Bewegung der Heckklappe 2 mit dem Abschalten des Stellmotors 11 allerdings nicht instantan zum Erliegen. Vielmehr laufen die Heckklappe 2 und der Stellmotor 11 trägheitsbedingt auch nach dem Abschalten noch geringfügig nach. Dies ist im mittleren Diagramm der 4 daran zu erkennen, dass die Stellposition x auch nach dem Zeitpunkt t2 noch ansteigt. In einem echten Einklemmfall nähert sich die Heckklappe 2 hierdurch dem Hindernis noch weiter an, wodurch auch das Differenzsignal ΔM nach dem Zeitpunkt t2 weiter ansteigt.
Die Steuereinheit 22 beobachtet diese weitere Änderung des Differenzsignals ΔM, indem sie das Differenzsignal ΔM fortlaufend mit einem als Auslösekriterium hinterlegten Auslöseschwellwert A vergleicht.
Wenn die Steuereinheit 22 dabei feststellt, dass das Differenzsignal ΔM – im Beispiel gemäß 4 zu einem Zeitpunkt t3 – den Auslöseschwellwert A überschreitet, bricht sie den laufenden Schließvorgang ab, indem sie dem Motorsteuergerät 16 das entsprechende Steuersignal C übermittelt. Der Abbruch des Schließvorgangs hat zur Folge, dass die zum Zeitpunkt t2 nur vorläufig angehaltene Bewegung der Heckklappe 2 nicht wieder aufgenommen wird, bis ein neuer Stellbefehl zur Bewegung der Heckklappe 2 empfangen wird.
Der Auslöseschwellwert A ist derart gewählt, dass der den Vorwarnschwellwert übersteigt. Die Differenz der Schwellwerte W und A gibt somit einen Toleranzbereich an, um den sich die Änderung des Differenzsignals ΔM nach dem Überschreiten des Vorwarnschwellwerts W fortsetzen kann, ohne dass der Schließvorgang abgebrochen wird. Dieser Toleranzbereich ermöglicht eine effektive Unterscheidung von echten drohenden Einklemmfällen einerseits und Störungen andererseits. Als Störung wird dabei ein Ereignis bezeichnet, das zu einer anormalen Änderung der Messgröße M und der Differenzgröße ΔM, und somit zu einer scheinbaren Kapazitätsänderung führt, das aber tatsächlich mit der Kapazität der Elektrodenanordnung des Sensors 21 unkorreliert ist, und das entsprechend auch nicht auf ein Hindernis im Stellweg 8 zurückzuführen ist. Solche Störungen werden vielmehr regelmäßig durch eingestreute externe elektrische oder elektromagnetische Felder verursacht.
Das Verhalten der Kollisionsschutzeinheit 2 im Falle einer während des Schließvorgangs auftretenden Störung ist in 5 verdeutlicht.
In dem in 5 dargestellten Beispiel äußert sich die Störung in dem Differenzsignal ΔM anfänglich ähnlich wie ein in den Stellweg 8 eingebrachtes Hindernis. Insbesondere ist in dem in 5 dargestellten Beispiel der Verlauf der Differenzgröße ΔM bis zum Zeitpunkt t2 identisch mit dem Verlauf des Differenzsignals ΔM für den drohenden Einklemmfall gemäß 4, so dass bis zu diesem Zeitpunkt zwischen einem echten Einklemmfall und einer Störung nicht unterschieden werden kann. Entsprechend veranlasst auch in dem Fall gemäß 5 die Kollisionsschutzeinheit zum Zeitpunkt t2, zu dem das Differenzsignal ΔM den Vorwarnschwellwert W überschreitet, das vorläufige Anhalten des Stellmotors 11.
Anders als im Falle eines echten drohenden Einklemmfalls ist die weitere Änderung des Differenzsignals ΔM im Falle einer Störung aber nicht korreliert mit der Auslaufbewegung der Heckklappe 2 (und somit dem weiteren Verlauf der Stellgröße x). Dies äußert sich in 5 darin, dass das Differenzsignal ΔM den Auslöseschwellwert A nicht überschreitet. Vielmehr fluktuiert das gestörte Differenzsignal ΔM im Beispiel gemäß 5 für einen gewissen Zeitraum bei geringeren Werten und sinkt dann wieder auf den Ausgangswert ab. Dies erkennt die Steuereinheit 22, indem sie das Differenzsignal ΔM für eine vorgegebene Zeitspanne T mit dem Auslöseschwellwert A vergleicht.
Sofern sie feststellt, dass das Differenzsignal ΔM innerhalb dieser Zeitspanne T den Auslöseschwellwert A nicht überschreitet, steuert sie nach Ablauf der Zeitspanne T, nämlich zu einem Zeitpunkt t4, das Motorsteuergerät 16 zur Fortsetzung des Schließvorgangs an. Entsprechend nimmt die eingestellte Stellgeschwindigkeit v zum Zeitpunkt t4 wieder den Ausgangswert an, was in der Folge dann zu einem weiteren Anstieg der Stellposition x führt.
In 6 sind – wiederum analog zu 4 für den Fall eines echten Einklemmfalls (also bei Anwesenheit eines Hindernisses im Stellweg 8) – der zeitliche Verlauf der eingestellten Stellgeschwindigkeit v, der Stellposition x und des Differenzsignals ΔM bei einer modifizierten Ausführungsform der Kollisionsschutzeinheit 20 dargestellt. Auch hier ist der Verlauf der genannten Größen bis zum Zeitpunkt t2 identisch mit den anhand von 4 und 5 beschriebenen Szenarien. Im Unterschied zu dem Fall gemäß 4 wird im Beispiel gemäß 5 die eingestellte Stellgeschwindigkeit v, wenn das Differenzsignal ΔM den Vorwarnschwellwert W überschreitet, nicht auf null gesetzt, sondern lediglich erniedrigt. Die Schließung der Heckklappe 2 wird also bei der ersten Detektion des Hindernisses verlangsamt fortgesetzt. Entsprechend flacht auch der Verlauf der Stellgröße x in dem auf den Zeitpunkt t2 folgenden Zeitraum ab.
Sofern es sich – wie in dem anhand von 6 dargestellten Beispiel angenommen – um einen echten Einklemmfall handelt, wenn sich also tatsächlich ein Hindernis in dem Stellweg 8 befindet, führt die fortgesetzte Schließung der Heckklappe 2 auch im Fall der 6 zu einem weiteren Anstieg des Differenzsignals ΔM, wobei allerdings dieser Anstieg des Differenzsignals ΔM infolge der reduzierten Stellgeschwindigkeit langsamer erfolgt als vor dem Zeitpunkt t2. Der durch die Reduzierung der Stellgeschwindigkeit v verursachte Knick in der Kurve der Stellposition x äußert sich im Falle eines echten drohenden Einklemmfalls also in einem mit der Reduzierung der eingestellten Stellgeschwindigkeit korrelierten Verhalten.
Im Falle der 6 bricht die Steuereinheit 22 den Stellvorgang ebenfalls ab, wenn sie feststellt, dass das Differenzsignal ΔM den Auslöseschwellwert A überschreitet, so dass in diesem Fall die eingestellte Stellgeschwindigkeit v zu dem Zeitpunkt t3 auf null gesetzt wird.
Allerdings macht die Steuereinheit 20 im Fall der 6 den Abbruch des Stellvorgangs zusätzlich von dem zweiten Auslösekriterium abhängig, dass das Verhältnis der durchschnittlichen Steigungen s1 und s2 (d.h. zeitlichen Änderungen) des Differenzsignals ΔM zum Zeitpunkt t3 beziehungsweise zum Zeitpunkt t2 in einem vorgegebenen Wertebereich liegt. Sofern dieses zusätzliche Auslösekriterium nicht erfüllt ist, lässt die Steuereinheit 22 den laufenden Schließvorgang weiterlaufen. Dies führt dazu, dass in Fällen, in denen – bedingt durch eine Störung – das Differenzsignal ΔM zwar den Vorwarnschwellwert W und den Auslöseschwellwert A überschreitet, das Verhältnis der Steigungen s1 und s2 aufgrund fehlender Korrelation des Differenzsignals ΔM mit der Stellgeschwindigkeit v nicht in dem vorgegebenen Wertebereich liegt, das Schließen der Heckklappe 2 nach dem Zeitpunkt t3 mit der zum Zeitpunkt t2 eingestellten reduzierten Stellgeschwindigkeit v fortgeführt wird. Dieser Fall ist in 7 dargestellt.
In einer nicht näher dargestellten Variante des anhand der 6 und 7 dargestellten Einklemmschutzverfahrens bestimmt die Kollisionsschutzeinheit 20 das Verhältnis (s1/s2) der Steigungen s1 und s2 als Testgröße, die quantitativ angibt, inwieweit das zweite Auslösekriterium erfüllt oder nicht erfüllt wurde. Die Kollisionsschutzeinheit 20 vergleicht hierbei das Verhältnis s1/s2 mit einem engeren Toleranzbereich und einem weiteren Toleranzbereich, wobei diese Toleranzbereiche zentriert bezüglich des für einen echten Einklemmfall zu erwartenden Werts des Verhältnisses s1/s2 gewählt sind.
Wenn das Verhältnis s1/s2 in dem engeren Toleranzbereich liegt, wenn sich die Steigungen s1 und s2 also genau so verhalten, wie es gemäß 6 für einen echten Einklemmfall zu erwarten ist, bricht die Kollisionsschutzeinheit 20 den Schließvorgang ab, indem sie das Motorsteuergerät 16 analog zu dem Fall gemäß 6 anweist, die eingestellte Stellgeschwindigkeit v auf null zu setzen.
Wenn das Verhältnis s1/s2 dagegen außerhalb des engeren Toleranzbereichs, aber noch in dem weiteren Toleranzbereich liegt, lässt die Kollisionsschutzeinheit 20 den Schließvorgang analog zu 7 mit reduzierter Stellgeschwindigkeit weiterlaufen. Optional aktiviert die Kollisionsschutzeinheit 20 in diesem Fall einen parallel in dem Motorsteuergerät 16 ausgeführten indirekten Einklemmschutzalgorithmus oder setzt eine vorgegebene Auslöseschwelle dieses indirekten Einklemmschutzalgorithmus herab, so dass dieser indirekte Einklemmschutzalgorithmus sensibler reagiert.
Wenn das Verhältnis s1/s2 dagegen auch außerhalb weiteren Toleranzbereich liegt, setzt die Kollisionsschutzeinheit 20 durch entsprechende Anweisung des Motorsteuergeräts 16 die eingestellte Stellgeschwindigkeit v wieder auf den Ursprungswert herauf.
Optional wird bei allen vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen ein Warnsignal, vorzugsweise ein im Bereich der Heckklappe 2 hörbarer Warnton, erzeugt, wenn das Differenzsignal ΔM den Vorwarnschwellwert W überschreitet.
Die Erfindung wird an den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen besonders deutlich, ist gleichwohl auf diese Ausführungsbeispiele aber nicht beschränkt. Vielmehr können weitere Ausführungen der Erfindung aus den Ansprüchen und der vorstehenden Beschreibung abgeleitet werden. Insbesondere können die anhand der Ausführungsbeispiele beschriebenen Einzelmerkmale der Erfindung auch in anderer Weise miteinander kombiniert werden, ohne von der Erfindung abzuweichen.
Bezugszeichenliste

1: Kraftfahrzeug
2: Heckklappe
3: Oberkante
4: Karosserie
5: Schließstellung
6: Öffnungsstellung
7: Zwischenstellung
8: Stellweg
10: Stellvorrichtung
11: Stellmotor
12: Stellmechanik
13: Hebelarm
14: Zylinderrohr
15: Spindel
16: Motorsteuergerät
17: Schließkante
18: Kante
20: Kollisionsschutzeinheit
21: (Näherungs-)Sensor
22: Steuereinheit
ΔM: Differenzsignal
s1: Steigung
s2: Steigung
t: Zeit
t1: Zeitpunkt
t2: Zeitpunkt
t3: Zeitpunkt
t4: Zeitpunkt
v: Stellgeschwindigkeit
x: Stellposition
A: Auslöseschwellwert
C: Steuersignal
M: (Kapazitäts-)Messgröße
O: Offsetwert
T: Zeitspanne
W: Vorwarnschwellwert

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 202007008440 U1 [0010]
DE 202012005718 U1 [0010]

Claims

Kollisionsschutzverfahren für ein motorisch bewegliches Kraftfahrzeugteil (2), – wobei während eines Stellvorgangs, bei dem das Kraftfahrzeugteil (2) mittels eines Stellmotors (11) bewegt wird, mittels eines kapazitiven Näherungssensors (21) ein Messsignal (ΔM) erfasst wird, das für die Anwesenheit oder Abwesenheit eines Hindernisses in dem Stellweg (8) des Kraftfahrzeugteils (2) charakteristisch ist, – wobei das Messsignal (ΔM) mit einem vorgegebenen Vorwarnschwellwert (W) verglichen wird, – wobei, wenn das Messsignal (ΔM) den Vorwarnschwellwert (W) überschreitet, eine weitere Änderung des Messsignals (ΔM) überwacht wird, und – wobei der Stellvorgang abgebrochen wird, wenn die weitere Änderung des Messsignals (ΔM) ein vorgegebenes Auslösekriterium oder eine Kombination mehrerer vorgegebener Auslösekriterien erfüllt.
Kollisionsschutzverfahren nach Anspruch 1, wobei die Verstellung des Kraftfahrzeugteils (2) vorläufig angehalten wird, wenn das Messsignal (ΔM) den Vorwarnschwellwert (W) überschreitet.
Kollisionsschutzverfahren nach Anspruch 1, wobei die Verstellung des Kraftfahrzeugteils (2) mit reduzierter Stellgeschwindigkeit (v) vorgesetzt wird, wenn das Messsignal (ΔM) den Vorwarnschwellwert (W) überschreitet.
Kollisionsschutzverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei als Auslösekriterium herangezogen wird, dass sich die Änderung des Messsignals (ΔM) nach der Überschreitung des Vorwarnschwellwerts (W) um mehr als einen vorgegebenen Toleranzbereich fortsetzt.
Kollisionsschutzverfahren nach Anspruch 3 oder 4, wobei als Auslösekriterium herangezogen wird, dass sich die Änderung des Messsignals (ΔM) nach der Überschreitung des Vorwarnschwellwerts (ΔM) in einem Ausmaß verlangsamt, das mit der Reduzierung der Stellgeschwindigkeit (v) korreliert ist.
Kollisionsschutzverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Verstellung des Fahrzeugteils (2) fortgeführt wird, wenn das Messsignal (ΔM) das Auslösekriterium beziehungsweise die Kombination von Auslösekriterien nicht erfüllt.
Kollisionsschutzverfahren nach Anspruch 6, – wobei quantitativ bestimmt wird, inwieweit das Messsignal (ΔM) das Auslösekriterium bzw. die Kombination von Auslösekriterien erfüllt, und – wobei, wenn das Auslösekriterium beziehungsweise die Kombination nach Maßgabe der Testgröße nicht gänzlich erfüllt ist, die Verstellung des Fahrzeugteils (2) mit einer Stellgeschwindigkeit fortgeführt wird, die von dem Ausmaß abhängt, in dem das Auslösekriterium bzw. die Kombination von Auslösekriterien erfüllt wurden.
Kollisionsschutzverfahren Anspruch 3 oder 7, wobei, wenn die Verstellung des Kraftfahrzeugteils (2) mit reduzierter Stellgeschwindigkeit fortgesetzt wird, zusätzlich ein kraftbasierter Einklemmschutzprozess aktiviert oder hinsichtlich seiner vorgegebenen Auslöseschwelle sensibler geschaltet wird.
Kollisionsschutzverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei zusätzlich ein visuelles oder akustisches Warnsignal erzeugt wird, wenn das Messsignal (ΔM) den Vorwarnschwellwert (W) überschreitet.
Kollisionsschutzeinheit (20) für ein für ein motorisch bewegliches Kraftfahrzeugteil (2), die zur automatischen Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 eingerichtet ist.
Stellvorrichtung (10) zur motorischen Verstellung eines beweglichen Kraftfahrzeugteils (2), mit einem Stellmotor (11), mit einer Stellmechanik (12), über die der Stellmotor (11) mit dem Kraftfahrzeugteil (2) zu dessen Verstellung mechanisch gekoppelt oder koppelbar ist, mit einem Motorsteuergerät (16) zur Ansteuerung des Stellmotors (11) sowie mit einer Kollisionsschutzeinheit (20) nach Anspruch 10.