DE102016223230A1

DE102016223230A1 - Überwachungsanordnung für Kraftfahrzeuge, Überwachungsverfahren und Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102016223230A1
Application number: DE102016223230.4A
Authority: DE
Inventors: Nils Schiwiora; Sierk Fiebig
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2016-11-23
Filing date: 2016-11-23
Publication date: 2018-07-05

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Überwachungsanordnung (1) für Kraftfahrzeuge (2), insbesondere für Personenkraftwagen, Busse und Lastkraftwagen, mit einer Sensoranordnung (10) zur Erfassung thermischer und/oder mechanischer Lasten an mindestens einer Komponente (5) eines Fahrwerks (4) und/oder Fahrgestells eines zu Grunde liegenden Kraftfahrzeugs (2) und zur Ausgabe von für die Lasten repräsentativer Signalen und mit einer Erfassungs- und Auswerteeinheit (20, 50) zur Aufnahme und Bewertung von der Sensoranordnung (10) ausgegebener Signale, wobei die Sensoranordnung (10) einen Lichtwellenleiter (12) mit einem im Lichtwellenleiter (12) integrierten Faser-Bragg-Gitter-Sensor (11) aufweist und wobei der Faser-Bragg-Gitter-Sensor (11) eingerichtet ist, teilweise oder vollständig in oder an der Komponente (5) des Fahrwerks (4) und/oder des Fahrgestells des Kraftfahrzeugs (2) integriert zu sein, um thermisch und/oder mechanisch hervorgerufene Lasten in der Komponente (21) des Fahrwerks (4) und/oder des Fahrgestells aufzunehmen. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein entsprechendes Überwachungsverfahren sowie ein Fahrzeug (2) als solches.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Überwachungsanordnung für Kraftfahrzeuge, ein Überwachungsverfahren sowie ein Kraftfahrzeug als solches. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere eine Überwachungsanordnung und ein Überwachungsverfahren für Personenkraftwagen, Busse oder Lastkraftwagen.
Zur Sicherung von Qualitäts- und Sicherheitsstandards werden Komponenten in Kraftfahrzeugen, zum Beispiel im Bereich des Fahrwerks und/oder des Fahrgestells, aufwendigen Belastungstests unterzogen. Aus den Testergebnissen werden dann für die Produktion in der Fahrzeugserie zu verwendende Herstellungsstandards erstellt. Zusätzlich können im Zusammenhang mit rücklaufenden Fahrzeugen, zum Beispiel nach Unfall oder Ausfall, bei Reparatur, Wartung und TÜV, die Belastung von Fahrzeugen beschreibende Daten erhoben und ausgewertet werden. Es können derzeit weder direkt noch nachträglich die eingeleiteten Belastungen festgestellt werden. Es kann nur bei einer Prüfung durch eine Werkstatt oder durch den TÜV ermittelt werden, ob ein Bauteil defekt ist oder nicht.
Wünschenswert wäre jedoch eine Datenerfassung während des Betriebs eines jeweiligen Fahrzeugs und/oder einer Mehrzahl von Fahrzeugen, um zum Beispiel auch Nutzungsgewohnheiten, regionale oder geographische Aspekte bei der Belastungsbewertung und bei einer zukünftigen Auslegung der Herstellungsstandards einfließen lassen zu können. Herkömmliche Lastaufnahmen, zum Beispiel Dehnungsmessstreifen oder dergleichen, sind dabei vergleichsweise aufwendig und unzuverlässig.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Überwachungsanordnung und ein Überwachungsverfahren für Kraftfahrzeuge sowie ein Kraftfahrzeug als solches zu schaffen, bei welchen mit besonders einfachen Mitteln eine zuverlässige Erfassung thermisch und/oder mechanisch verursachter Lasten im Bereich von Fahrwerk und/oder Fahrgestell möglich ist.
Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird bei einer Überwachungsanordnung für Kraftfahrzeuge erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1, bei einem Kraftfahrzeug erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 10 sowie bei einem Überwachungsverfahren für Kraftfahrzeuge erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 11 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen Ansprüche.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Überwachungsanordnung für Kraftfahrzeuge und insbesondere für Personenkraftwagen, Busse und Lastkraftwagen geschaffen. Die erfindungsgemäße Überwachungsanordnung ist ausgebildet mit einer Sensoranordnung zur Erfassung thermischer und/oder mechanischer Lasten an mindestens einer Komponente eines Fahrwerks und/oder eines Fahrgestells eines zu Grunde liegenden Kraftfahrzeugs und zur Ausgabe von für die Lasten repräsentativen Signalen und mit einer Erfassungs- und Auswerteeinheit zur Aufnahme und Bewertung von der Sensoranordnung ausgegebener Signale, wobei (i) die Sensoranordnung einen Lichtwellenleiter mit einem im Lichtwellenleiter integrierten Faser-Bragg-Gitter-Sensor aufweist und (ii) der Faser-Bragg-Gitter-Sensor eingerichtet ist, teilweise oder vollständig in oder an der Komponente des Fahrwerks und/oder des Fahrgestells des Kraftfahrzeugs integriert zu sein, um thermisch und/oder mechanisch hervorgerufene Lasten in der Komponente des Fahrwerks und/oder des Fahrgestells aufzunehmen, insbesondere zu messen und auszuwerten.
Es ist somit ein Kernaspekt der vorliegenden Erfindung, einen Faser-Bragg-Gitter-Sensor in oder an einer Komponente eines Fahrwerks und/oder eines Fahrgestells eines Kraftfahrzeugs so zu integrieren, dass die in der Komponente auftretende thermische und/oder mechanische Last Einfluss nimmt auf das Reflexionsverhalten des Faser-Bragg-Gitter-Sensors. Die Detektion des geänderten Reflexionsverhaltens des Sensors lässt dann auf die momentane Last in der Komponente des Fahrwerks und/oder des Fahrgestells schließen.
Faser-Bragg-Gitter-Sensoren als solche sind bekannt und zum Beispiel in der DE 695 13 281 T2 beschrieben und werden gebildet von einem Lichtwellenleiter, in dessen Innerem an einer bestimmten Stelle in einem Abschnitt in der Längserstreckungsrichtung des Lichtwellenleiters ein Interferenzfilter oder -gitter ausgebildet ist, zum Beispiel über Bereiche räumlich periodisch geänderter Brechungsindizes.
Auf Grund der Gittereigenschaften in diesem Bereich ergibt sich für ein schmales Wellenlängenband ein gesteigertes Reflexionsvermögen, während Licht oder Strahlung allgemein außerhalb des charakteristischen Wellenlängenbandes des Gitters über das Gitter im Wesentlichen ungestört hinwegläuft. Durch thermisch und/oder mechanisch hervorgerufene Deformationen des Gitters ändern sich die Gittereigenschaften mithin das charakteristische Wellenlängenband, für welches Reflexion am Gitter auftritt. Aus der Wellenlängenänderung kann auf die Deformation des Gitters und somit auf die thermisch und/oder mechanisch ausgeübte Last geschlossen werden.
Da bei einem Fahrzeug verschiedene Positionen und deren Belastungsprofil von Interesse sind, ist es von besonderem Vorteil, wenn gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Überwachungsanordnung die Sensoranordnung eine Mehrzahl Lichtwellenleiter mit jeweils mindestens einem Faser-Bragg-Gitter-Sensor aufweist, so dass bei deren Einsatz eine Mehrzahl von Fahrzeugpositionen hinsichtlich ihres Belastungsprofils - insbesondere gleichzeitig - erfasst werden kann.
Zusätzlich oder alternativ können mehrere Positionen an einem Fahrzeug auch dadurch erfasst werden, dass ein jeweiliger Lichtwellenleiter eine Mehrzahl Faser-Bragg-Gitter-Sensoren aufweist, wobei es von besonderem Vorteil ist, wenn die Faser-Bragg-Gitter-Sensoren paarweise unterschiedliche Reflexionswellenlängen und/oder zumindest teilweise oder vollständig nicht überlappende Reflexionwellenlängenbereiche aufweisen. Bei dieser vorteilhaften Weiterbildung unterscheidet sich die reflektierte Wellenlänge eines Sensors insbesondere von allen reflektierten Wellenlängen sämtlicher anderer Sensoren im selben Lichtwellenleiter. Auf diese Weise ist es möglich, mit nur einem einzigen Lichtwellenleiter eine Mehrzahl von Positionen oder Bereichen hinsichtlich ihres Belastungsprofils am Fahrzeug zu erfassen. Es können zum Beispiel bis zu 20 einzelne Faser-Bragg-Gitter-Sensoren entlang des Verlaufs eines Lichtwellenleiters ausgebildet werden.
Hinsichtlich der Belastungsbewertung ist es von besonderem Vorteil, wenn gemäß einer anderen Weiterbildung der erfindungsgemäßen Überwachungsanordnung die Erfassungs- und Auswerteeinheit eingerichtet ist, aus von der Sensoranordnung empfangenen Signalen eine aktuelle Last, ein Überschreiten einer Spitzenlast, eine kumulierte Last und/oder deren zeitliche Entwicklung für eine oder mehrere Komponenten des Fahrwerks und/oder des Fahrgestells zu ermitteln und dafür repräsentative Daten bereitzustellen und/oder zu speichern.
Dabei kann es insbesondere vorgesehen sein, dass eine finale Auswertung zum Beispiel erst nach einem Auslesen der Daten aus der Erfassungs- und Auswerteeinheit erfolgt, zum Beispiel nach dem Ende einer Fahrt, nach mehreren Fahrten und insbesondere nach dem Ende einer vorgegebenen Zeitspanne (Datum X - Datum Y) und/oder in einer Werkstatt oder dergleichen.
Von besonderem Interesse für die Weiterentwicklung des Fahrzeugbaus ist die Berücksichtigung von Parametern, die auf die Entstehung der jeweiligen Belastung schließen lassen. Dabei können regionale, geographische und/oder anwendungsspezifische Aspekte eine entscheidende Rolle spielen und bei der Bewertung einfließen. Es können Aspekte berücksichtigt werden, die auch eine jeweilige Infrastruktur, die Nutzungsart und dergleichen beschreiben.
Dazu ist es von besonderem Vorteil, wenn gemäß einer anderen Weiterbildung der erfindungsgemäßen Überwachungsanordnung die Erfassungs- und Auswerteeinheit eingerichtet ist, Betriebsparameter des zu Grunde liegenden Fahrzeugs zu erfassen und insbesondere mit von der Sensoranordnung empfangenen Signalen zu assoziieren und insbesondere zu korrelieren, wobei als Betriebsparameter vorzugsweise ein oder mehrere Parameter aus der Gruppe von Parametern berücksichtigt werden, die Ort, insbesondere in Form von GPS-Koordinaten, Zeit, Geschwindigkeit, Beschleunigung, Witterung- und Umweltparameter, Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Luftdruck aufweist.
Dabei kann auf Grund der GPS-Koordinaten auch der jeweilige Infrastrukturaspekt einfließen oder sich aus den GPS-Koordinaten ergeben, zum Beispiel im Hinblick auf eine regional übliche Fahrbahnqualität oder dergleichen. Umgekehrt können sich aus einem Lastfall X an einem Ort Y spezifische Informationen über den Ort Y aus den Daten des Lastfalls ergeben, wenn von dem Ort Y zunächst nur die GPS-Koordinaten bekannt sind. Auch können besondere Nutzungsparameter berücksichtigt werden, zum Beispiel um zu beschreiben, ob das Fahrzeug im Gelände oder auf der Straße verwendet wird, ob es ein Privatfahrzeug ist oder gewerblich genutzt wird, zum Beispiel zum Transport von Personen oder Gegenständen und ähnlichem.
Eine jeweils vorgesehene Erfassungs- und Auswerteeinheit kann fahrzeuggebunden oder zentral und übergeordnet ausgebildet sein.
Es können auch mehrere Erfassungs- und Auswerteeinheiten miteinander kombiniert werden. Eine fahrzeuggebundene Erfassungs- und Auswerteeinheit kann zum Beispiel genutzt werden, um den Nutzer eines Fahrzeugs aktuell hinsichtlich bestimmter Belastungsparameter zu informieren. Es können Hinweise gegeben werden, dass nach einer bestimmten Belastung eine Wartung oder die Überprüfung durch eine Werkstatt ratsam ist.
Die erfassten Belastungsdaten können nicht nur lokal, also am Fahrzeug nutzbringend ausgewertet werden. Vielmehr ist es denkbar, dass die erfassten Belastungsdaten für eine genauere Analyse oder dergleichen zur Verfügung gestellt werden.
Es ist dabei von besonderem Vorteil, wenn bei einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Überwachungsanordnung diese ausgebildet ist mit mindestens einer ersten Sende-/Empfangseinheit, um von einer Sensoranordnung und/oder von einer fahrzeuggebundenen Erfassungs- und Auswerteeinheit bereitgestellte und/oder ausgegebene Signale oder Daten drahtlos zu übertragen, insbesondere an eine zentrale oder übergeordnete Erfassungs- und/oder Auswerteeinheit.
Im Zusammenhang mit der Auswertung der Belastungsdaten ist es ferner von Vorteil, wenn gemäß einer anderen bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Überwachungsanordnung die Erfassungs- und Auswerteeinheit eingerichtet ist, die Ausgabe eines Warnsignals zu veranlassen, wenn ein Warnkriterium erfüllt ist, wobei das Warnkriterium repräsentativ ist für das Überschreiten einer momentanen und/oder einer kumulierten Last einer oder mehrerer Komponenten des Fahrwerks und/oder des Fahrgestells eines gegebenen Fahrzeugs.
Dieses Warnsignal kann auch an vernetzte Fahrzeuge weitergegeben werden, zum Beispiel um nachfolgenden Fahrzeugen das sichere Passieren einer Gefahrenstelle zu ermöglichen.
Gemäß einer anderen Weiterbildung der erfindungsgemäßen Überwachungsanordnung ist diese eingerichtet, ein detektiertes Fahrprofil selbstständig an andere Fahrzeuge zu kommunizieren und diese vor möglicherweise schädigenden Lastfällen zu warnen und/oder zur Vermeidung eines Schadens eine Geschwindigkeit zu empfehlen, mit der eine mit einem Lastfall im Zusammenhang stehende Position zu passieren ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird auch ein Fahrzeug und insbesondere ein Personenkraftwagen, Bus oder Lastkraftwagen geschaffen.
Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist mit einer entsprechenden und erfindungsgemäß ausgestalteten Überwachungsanordnung ausgebildet, wobei mindestens ein Faser-Bragg-Gitter-Sensor einer Sensoranordnung der Überwachungsanordnung teilweise oder vollständig in oder an einer Komponente des Fahrwerks und/oder des Fahrgestells des Kraftfahrzeugs integriert ist, um thermisch und/oder mechanisch hervorgerufene Lasten in der Komponente des Fahrwerks und/oder des Fahrgestells aufzunehmen, insbesondere zu messen und auszuwerten.
Ferner schafft die vorliegende Erfindung auch ein Überwachungsverfahren für Kraftfahrzeuge und insbesondere für Personenkraftwagem, Busse und Lastkraftwagen, insbesondere unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Überwachungsvorrichtung.
Bei dem erfindungsgemäßen Überwachungsverfahren wird zum Erfassen thermischer und/oder mechanischer Lasten an mindestens einer Komponente eines Fahrwerks und/oder eines Fahrgestells eines zu Grunde liegenden Kraftfahrzeugs und zur Ausgabe von für die Lasten repräsentativen Signalen ein in einem Lichtwellenleiter integrierter Faser-Bragg-Gitter-Sensor teilweise oder vollständig in oder an der Komponente des Fahrwerks und/oder des Fahrgestells des Kraftfahrzeugs integriert, um thermisch und/oder mechanisch hervorgerufene Lasten in der Komponente des Fahrwerks und/oder des Fahrgestells aufzunehmen, insbesondere zu messen und auszuwerten.
Figurenliste
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren.

1 und 2 zeigen schematisch Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Überwachungsanordnung, insbesondere im Zusammenhang mit einem übergeordneten Überwachungssystem.
3 bis 9 zeigen schematisch Kernaspekte eines Faser-Bragg-Gitter-Sensors.
10 bis 13 zeigen in schematischen Querschnittsansichten verschiedene Möglichkeiten der Anbringung eines Lichtwellenleiters und eines Faser-Bragg-Gitter-Sensors an oder in einer Komponente eines Fahrzeugs.
14 zeigt schematisch den Aufbau eines übergeordneten Überwachungssystems unter Verwendung einer Mehrzahl von Überwachungsanordnungen an verschiedenen Fahrzeugen.

Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die 1 bis 14 Ausführungsbeispiele und der technische Hintergrund der Erfindung im Detail beschrieben. Gleiche und äquivalente sowie gleich oder äquivalent wirkende Elemente und Komponenten werden mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Nicht in jedem Fall ihres Auftretens wird die Detailbeschreibung der bezeichneten Elemente und Komponenten wiedergegeben.
Die dargestellten Merkmale und weiteren Eigenschaften können in beliebiger Form voneinander isoliert und beliebig miteinander kombiniert werden, ohne den Kern der Erfindung zu verlassen.
Die 1 und 2 zeigen in schematischer Form Kraftfahrzeuge 2, die erfindungsgemäß ausgestaltet sind und im Zusammenhang mit ihrem Fahrwerk 4 und den entsprechenden Fahrwerkskomponenten 5 eine Überwachungsanordnung 1 aufweisen.
Ein Kernaspekt ist dabei jeweils die Ausbildung einer oder mehrerer Sensoranordnungen 10, basierend auf einem Lichtwellenleiter 12, und eines oder mehrerer im jeweiligen Lichtleiter 12 integrierter Faser-Bragg-Gitter-Sensoren 11.
Die Faser-Bragg-Gitter-Sensoren 11 sind jeweils an oder in einer Komponente 5 des Fahrwerks 4 des Fahrzeugs 2 integriert ausgebildet, um in der jeweiligen Komponente 5 auftretende Belastungen, zum Beispiel im Sinne von thermisch und/oder mechanisch hervorgerufenen Spannungen, aufzunehmen.
Die Lichtwellenleiter 12 der Sensoranordnungen 10 speisen die von den Sensoren 11 zurückgeworfenen Lichtsignale in die jeweils vorgesehene fahrzeuggebundenen Erfassungs- und Auswerteeinheit 20 ein.
Die erfassten Signale können in der Erfassungs- und Auswerteeinheit 20 ausgewertet werden. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass dort die erfassten Signale ausschließlich gesammelt werden, zum Beispiel neben anderen Daten wie der Urzeit, der geographischen Position, Betriebsparametern oder dergleichen, um später einer nachgeschalteten Auswertung zu Grunde gelegt zu werden.
Die erfassten Signale, ausgewertete Daten und/oder weitere erfasste Daten können auch über eine Steuerleitung 21 an eine Sende-/Empfangseinheit 30 übermittelt und an eine andere Einheit übertragen werden.
In den 1 und 2 erfolgt die Übertragung an eine zentrale oder übergeordnete Erfassungs- und Auswerteeinheit 50, welche die übertragenen Daten unter Zwischenschaltung einer entsprechenden Sende-/Empfangseinheit 40 empfängt, welche über eine Steuerleitung 51 mit der zentralen Erfassungs- und Auswerteeinheit 50 verbunden ist.
Die 3 bis 7 illustrieren das Wirkprinzip der zu Grunde liegenden integrierten Faser-Bragg-Gitter-Sensoren 11 der Sensoranordnungen 10, welche im Inneren eines jeweiligen Wellenleiters 12 ausgebildet sind.
Gemäß 3 erstreckt sich ein zu Grunde liegender Wellenleiter 12 entlang einer Erstreckungsrichtung x. Auf Grund der Strukturierung des Wellenleiters 12 mit einem äußeren Brechungsindex n1 für die Hülle und einem Kernbrechungsindex n2 für den Kern 15 im Vergleich zum Brechungsindex n0 der Umgebung und der entsprechenden Einstellung der Werte der Brechungsindizes mit dem optisch dichteren Medium im Kern 15 und dem optisch weniger dichten Medium im Bereich der Hülle 16 liegen für das mit der Lichtquelle 13 unter Lichtleistung PI eingestrahlte Licht 17 an der Grenzfläche zwischen Kern 15 und Hülle 16 Totalreflexionsbedingungen vor. Entlang der Erstreckungsrichtung x durchmisst das eingespeiste Licht 17 den Lichtwellenleiter 12 und verlässt an dem der Einstrahlung gegenüberliegenden Ende als transmittiertes Licht 18 den Lichtwellenleiter 12.
Durch entsprechende Bearbeitungsprozesse ist im Kern 15 in einem bestimmten Bereich eine alternierende Abfolge von Abschnitten mit leicht erhöhtem Brechungsindex n3 ausgebildet, die eine Strukturgröße Λ definiert und bewirkt, dass Licht im Bereich einer bestimmten charakteristischen Wellenlänge λB nicht transmittiert, sondern mit einer entsprechenden Lichtleistung PB als reflektiertes Licht 19 entgegen der Einstrahlrichtung für das Licht 17 reflektiert wird und den Lichtwellenleiter 12 an der Stelle des Einstrahlens verlässt, so dass es dort mit der Detektoranordnung 14 detektiert werden kann.
4 zeigt nach Art eines Graphen die Variation des Brechungsindex n entlang der Erstreckungsrichtung x des Lichtwellenleiters 12 im Kernbereich 15. Der Brechungsindex n des Kerns 15 ist im Wesentlichen konstant mit einem Wert n2 und variiert nur im Bereich des Faser-Bragg-Gitter-Sensors 11 zum leicht erhöhten Wert n3.
Die 5 bis 7 zeigen die Spektren des eingestrahlten Lichts 17, des reflektierten Lichts 19 und des transmittierten Lichts 18 als Funktion der Wellenlänge λ, wobei als Maß eine jeweilige Lichtleistung PI, PB, PT auf der jeweiligen Ordinate angegeben wird. Zu erkennen ist, dass im Bereich der charakteristischen Frequenz λB des Faser-Bragg-Gitter-Sensors 11 das Spektrum des reflektierten Lichts 19 konzentriert ist, wogegen im Spektrum des transmittierten Lichts 18 der Bereich des reflektierten Lichts 19 um die charakteristische Wellenlänge λB des Faser-Bragg-Gitter-Sensors 11 herum fehlt.
Die 8 und 9 zeigen schematisch in einer seitlichen Querschnittsansicht die physikalischen Prozesse, die der Aufteilung des eingestrahlten Lichts 17 in transmittiertes Licht 18 und in reflektiertes Licht 19 durch Wechselwirkung mit dem Gitter des Faser-Bragg-Gitter-Sensors 11 zu Grunde liegen.
Auf Grund aufgeprägter mechanischer Spannungen im Übergang von der Situation gemäß 8 zur Situation gemäß 9 ändert sich die Gitterstruktur des Faser-Bragg-Gitter-Sensors 11, so dass in der Situation gemäß 8 ohne mechanische Verspannung das transmittierte Licht 18 aus den Komponenten 13-1 und 13-3 unter Reflexion der Komponente 13-2 als reflektiertem Licht 19 besteht. Bei der Situation gemäß 9 wird unter Einfluss der mechanischen Spannung und Deformation des Gitters das transmittierte Licht 18 nunmehr von den Komponenten 13-1 und 13-2 gebildet, wogegen die Komponente 13-3 reflektiert wird und als reflektiertes Licht 19 den Lichtwellenleiter 12 verlässt.
Die 10 bis 13 zeigen verschiedene Möglichkeiten der Ausgestaltung der Sensoranordnung 10 hinsichtlich der Anordnung des Faser-Bragg-Gitter-Sensors 11 im Lichtwellenleiter 12 einerseits und hinsichtlich der Montage des Lichtwellenleiters 12 mit dem Faser-Bragg-Gitter-Sensor 11 in oder an der Komponente 5 des Fahrzeugs 2 andererseits.
Bei den Ausführungsformen gemäß den 10 und 11 ist der Faser-Bragg-Gitter-Sensor 11 endständig am Lichtwellenleiter 12 angeordnet.
Bei den Ausführungsformen gemäß den 12 und 13 ist der Faser-Bragg-Gitter-Sensor 11 dagegen in einem zentralen Bereich des Lichtwellenleiter 12 angeordnet.
Ist ein einzelner Sensor in einem Lichtwellenleiter vorgesehen, so ist dieser in der Regel endständig ausgebildet. Bei einer Mehrzahl von Sensoren in einem Lichtwellenleiter ist ein letzter Sensor in der Regel endständig ausgebildet, wogegen sämtliche anderen Sensoren zentral im Lichtwellenleiter und somit nicht endständig positioniert sind. Ein Vorteil der Erfindung besteht unter anderem darin, dass die Position der Sensoren frei wählbar ist.
Bei den Ausführungsformen gemäß den 11 und 13 ist der Lichtwellenleiter 12 mit dem jeweiligen Faser-Bragg-Gitter-Sensor 11 im Material der Komponente 5 des Fahrzeugs 2 integriert ausgebildet.
Bei den Ausführungsformen gemäß den 10 und 12 ist dagegen ein Befestigungsmittel 6 vorgesehen, in welches der Lichtwellenleiter 12 zumindest lokal mit dem Faser-Bragg-Gitter-Sensor 11 eingebettet ist und mit welchem der Lichtwellenleiter 12 an einer Oberfläche der Komponente 5 des Fahrzeugs 2 angebracht ist.
14 zeigt schematisch den Aufbau eines übergeordneten Überwachungssystems 100, mit welchem über eine zentrale Erfassungs- und Auswerteeinheit 50 mittels einer Sende-/Empfangseinheit 40 Daten einer Mehrzahl oder Vielzahl von Fahrzeugen 2, welche jeweils mit einer erfindungsgemäßen Überwachungsanordnung 1 unter Verwendung von integrierten Faser-Bragg-Gitter-Sensoren 11 ausgebildet sind, hinsichtlich ihrer thermisch und/oder mechanisch verursachten Belastungen, gegebenenfalls mit den entsprechenden Begleitumständen, erfasst werden können.
Dabei können erfindungsgemäß insbesondere regionale, geographische und/oder nutzungsspezifische Parameter erfasst und mit den Belastungsdaten assoziiert und/oder korreliert werden, um zum Beispiel im Zusammenhang mit einer nachgeordneten Auswertung Herstellungsstrategien zur Anpassung von Produktqualität und Produktsicherheit aufzustellen.
Diese und weitere Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden an Hand der folgenden Darlegungen weiter erläutert:
Tatsächliche Lastfälle, die ein Fahrwerk 4 eines Fahrzeugs 2 über den gesamten Lebenszyklus erfährt, sind je nach Zulassungsmarkt des Fahrzeugs 2 unterschiedlich. Die Bauteilfreigaben werden jedoch anhand eines festgeschriebenen Prüfzyklus' erteilt.
Welchen Belastungen ein Fahrwerk 4 z.B. in Schlecht-Wege-Ländern standhalten muss, ist im Detail unbekannt. Ebenfalls kann die unterschiedliche Nutzung der Fahrzeuge 2 durch verschiedene Fahrer Abweichungen in der Belastungshöhe bewirken (Mietwagen / Off-Road-Nutzung etc.). Genau wie bei Missbrauchsfällen ist der genaue Einfluss auf das Fahrwerk 4 jedoch nicht bekannt und die entstandenen Schäden lassen sich nachträglich nicht nachvollziehen.
Ebenfalls stellen radführende Fahrwerkskomponenten 5 aus Faserverbundkunststoffen (FVK) neue Herausforderungen in der Bauteilauslegung dar. Im Missbrauchslastfall können Materialbeeinträchtigungen nicht analog zu Metallwerkstoffen erkannt und bewertet werden. Ziel ist es, durch geeignete Verfahren zur Schadensfrüherkennung radführende FVK-Komponente 5 zu ermöglichen.
Mit Hilfe eines Faser-Bragg-Gitter-Sensors (FBG) 11 können Dehnungs- und Temperaturänderungen gemessen werden. Die Sensoren sind zum Beispiel in eine Glasfaser als Lichtwellenleiter 2 eingeschrieben, die in das Bauteil 5 integriert wird.
Die Faser 12 kann nach der Herstellung des Bauteils 5 auf der Oberfläche mit einem Befestigungsmittel 6 angebracht oder direkt im Herstellungsprozess innerhalb des Bauteils 5 platziert werden.
Die Anzahl der Sensoren 11 pro Faser 12 sowie ihre Position ist dabei beliebig wählbar. Die gemessenen Dehnungen können direkt in die dazugehörigen Krafteinleitungen umgerechnet werden.
Durch die dauerhafte Aufnahme aller eingeleiteten Lasten können Fahrstreckenprofile in allen Regionen der Welt ermittelt werden, die in den Entwicklungsprozess zukünftiger Bauteile 5 einfließen können. Eine angepasste Auslegung an die Märkte ist möglich. Auch kann die tatsächliche Anzahl der aufgetretenen (Missbrauchs-) Lastfälle ausgezählt werden. Diese erhobenen Daten können zur Auswertung von Straßenschäden und -beschaffenheiten genutzt werden und zur Vernetzung aller Fahrzeuge 2 verwendet werden. So ist es möglich andere Verkehrsteilnehmer vor kritischen Straßenzuständen zu warnen.
Die kontinuierlich erfassten Dehnungswerte können ebenfalls genutzt werden, um dem Fahrzeughalter bei aufgetretenen Missbrauchsfällen individuell einen Werkstattaufenthalt zu empfehlen. Auch die komplette Lebensdauer überwachter Bauteile kann so ermittelt werden. Bei einem in Kürze nötigen Austausch einzelner Komponenten 5 kann so vorausschauend ein Service empfohlen werden. Individuelle Auswertungen über den Verlauf der zuletzt gefahrenen Strecken können ebenfalls angeboten und abgerufen werden.
Bei detektierten Schäden, nach denen die Verkehrssicherheit des Fahrzeugs 2 sowie die Sicherheit anderer Verkehrsteilnehmer nicht mehr garantiert werden kann, ist die vorübergehende Stilllegung des Fahrzeugs 2 automatisch durchführbar.
Das bevorzugte Beispiel beinhaltet die kontinuierliche Überwachung von Dehnungen eines oder mehrerer Fahrwerkbauteile mit Hilfe einer optischen Faser 12 mit Faser-Bragg-Gitter-Sensoren 11.
Die Glasfaser 12 wird im Herstellungsprozess z.B. direkt in das Bauteil 5 integriert, bei Gussteilen direkt mitvergossen, bei FVK-Bauteilen einlaminiert.
Eine nachträgliche Fixierung am Bauteil 5 mit einem Befestigungsmittel 6 ist ebenfalls möglich.
Grundsätzlich ist diese Lösung bei allen verwendeten Materialien im Fahrwerk 4, von Stahlblech über Alu- und Eisenguss sowie bei faserverstärkten Kunststoffen anwendbar.
Mit Hilfe der Faser 12 können Fahrstreckenprofile erstellt werden, die die realen Belastungen des Bauteils 5 detailliert darstellen. Dies zeigt die tatsächlichen Belastungen auf, denen ein Fahrwerk 4 in den verschiedenen Regionen der Welt standhalten muss.
Ebenfalls lassen sich Missbrauchsfälle eindeutig identifizieren und anhand der erhöhten Krafteinleitung Straßenschäden lokalisieren. Die Daten können an andere Verkehrsteilnehmer weitergegeben werden, um diese zu warnen und um eine Geschwindigkeit zu empfehlen, die auf Grund der Gegebenheiten angebracht ist.
Die gemessenen Dehnungen können zusätzlich noch eine Voraussage zur Bauteillebensdauer liefern, indem eingeleitete Kräfte überwacht und deren Einfluss auf das Bauteil 5 ausgewertet werden können.
Herkömmliche Dehnungsmessstreifen (DMS), die auf das Bauteil aufgebracht werden, sind nachteilig, weil die DMS elektronisch kontaktiert werden müssen. Diese Kontaktierung ist beim Verbau an Fahrwerksteilen durch die Witterung grundsätzlich eine erhöhte Ausfallgefahr für das System, bzw. erfordert eine aufwändigere Montage und Schutzvorrichtungen. Ebenfalls kann mit einem DMS nur an einer Position ein Dehnungswert ermittelt werden, wohingegen mehrere (bis ca. 20) FBG-Sensoren 11 pro Glasfaser 12 eingesetzt werden können.
Es ist eine Fahrstreckenprofilerkennung möglich, die es ermöglicht, weltweit den Einfluss unterschiedlicher Infrastrukturen auf das Fahrwerk 4 kennenzulernen. Auslegungen neuer Fahrwerksbauteile 5 können von diesem Know-How-Gewinn profitieren.
Die Daten können zusätzlich zur Kommunikation zwischen Fahrzeugen 2 genutzt werden, um beispielsweise erkannte Schlaglöcher oder andere Straßenschäden mit anderen Verkehrsteilnehmern zu teilen.
Zusätzlich können verstärkt auch FVK-Bauteile eingesetzt werden, die trotz anderem Versagensverhalten gegenüber Metallen eingesetzt werden können, da durch dauerhafte Überwachung ein möglicher Schaden durch Missbrauchslastfälle frühzeitig entdeckt werden würde. Gleichwohl ist auch eine Überwachung des gesamten Fahrwerks 4 möglich, unabhängig der verwendeten Materialien.
Des Weiteren können mit zusätzlichen Glasfasern 12, die an die gleiche Auswerteeinheit 20, 50 angeschlossen werden, andere Sensoren substituiert werden, z.B. Temperatursensoren für innen und/oder außen, für eine Sitzbelegung, sowie für Abgas-, Motor- und/oder Öltemperatur.
Auch wenn die erfindungsgemäßen Aspekte und vorteilhaften Ausführungsformen anhand der in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungsfiguren erläuterten Ausführungsbeispiele im Detail beschrieben worden sind, sind für den Fachmann Modifikationen und Kombinationen von Merkmalen der dargestellten Ausführungsbeispiele möglich, ohne den Bereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen, deren Schutzbereich durch die beigefügten Ansprüche definiert wird.
Bezugszeichenliste

1: Überwachungsanordnung
2: Kraftfahrzeug
4: Fahrwerk
5: Komponente des Fahrwerks, Fahrwerkskomponente
6: Befestigungsmittel
10: Sensoranordnung
11: Faser-Bragg-Gitter-Sensor, FBG-Sensor
12: Lichtwellenleiter
13: Lichtquelle
13-1: Lichtkomponente
13-2: Lichtkomponente
13-3: Lichtkomponente
14: Fotodetektor, Fotodetektoranordnung
15: Kern des Lichtwellenleiters 12
16: Hülle des Lichtwellenleiters 12
17: eingestrahltes Licht
18: transmittiertes Licht
19: reflektiertes Licht
20: (fahrzeuggebundene) Erfassungs- und Auswerteeinheit
21: Steuerleitung
30: Sende-/Empfangseinheit
40: Sende-/Empfangseinheit
50: (zentrale/übergeordnete) Erfassungs- und Auswerteeinheit
51: Steuerleitung
100: Überwachungssystem

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 69513281 T2 [0008]

Claims

Überwachungsanordnung (1) für Kraftfahrzeuge (2), insbesondere für Personenkraftwagen, Busse und Lastkraftwagen, mit: - einer Sensoranordnung (10) zur Erfassung thermischer und/oder mechanischer Lasten an mindestens einer Komponente (5) eines Fahrwerks (4) und/oder eines Fahrgestells eines zu Grunde liegenden Kraftfahrzeugs (2) und zur Ausgabe von für die Lasten repräsentativen Signalen und - einer Erfassungs- und Auswerteeinheit (20, 50) zur Aufnahme und Bewertung von der Sensoranordnung (10) ausgegebener Signale, wobei: - die Sensoranordnung (10) einen Lichtwellenleiter (12) mit einem im Lichtwellenleiter (12) integrierten Faser-Bragg-Gitter-Sensor (11) aufweist und - der Faser-Bragg-Gitter-Sensor (11) eingerichtet ist, teilweise oder vollständig in oder an der Komponente (5) des Fahrwerks (4) und/oder des Fahrgestells des Kraftfahrzeugs (2) integriert zu sein, um thermisch und/oder mechanisch hervorgerufene Lasten in der Komponente (21) des Fahrwerks (4) und/oder des Fahrgestells zu messen und auszuwerten.
Überwachungsanordnung (1) nach Anspruch 1, bei welcher die Sensoranordnung (10) eine Mehrzahl Lichtwellenleiter (12) mit jeweils mindestens einem Faser-Bragg-Gitter-Sensor (11) aufweist.
Überwachungsanordnung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher ein jeweiliger Lichtwellenleiter (12) eine Mehrzahl Faser-Bragg-Gitter-Sensoren (11) aufweist, wobei insbesondere die Faser-Bragg-Gitter-Sensoren (11) paarweise unterschiedliche Reflexionswellenlängen und/oder zumindest teilweise oder vollständig nicht überlappende Reflexionwellenlängenbereiche aufweisen.
Überwachungsanordnung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher die Erfassungs- und Auswerteeinheit (20, 50) eingerichtet ist, aus von der Sensoranordnung (10) empfangenen Signalen eine aktuelle Last, ein Überschreiten einer Spitzenlast, eine kumulierte Last und/oder deren zeitliche Entwicklung für eine oder mehrere Komponenten (5) des Fahrwerks (4) und/oder des Fahrgestells zu ermitteln und dafür repräsentative Daten bereitzustellen und/oder zu speichern.
Überwachungsanordnung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher die Erfassungs- und Auswerteeinheit (20, 50) eingerichtet ist, Betriebsparameter des zu Grunde liegenden Fahrzeugs (2) zu erfassen und insbesondere mit von der Sensoranordnung (10) empfangenen Signalen zu assoziieren und insbesondere zu korrelieren, wobei als Betriebsparameter vorzugsweise ein oder mehrere Parameter aus der Gruppe von Parametern berücksichtigt werden, die Ort, insbesondere in Form von GPS-Koordinaten, Zeit, Geschwindigkeit, Beschleunigung, Witterung- und Umweltparameter, Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Luftdruck aufweist.
Überwachungsanordnung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher die Erfassungs- und Auswerteeinheit (20, 50) als fahrzeuggebundene Erfassungs- und Auswerteeinheit (20) oder als zentrale oder übergeordnete Erfassungs- und/oder Auswerteeinheit (50) ausgebildet ist.
Überwachungsanordnung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit mindestens einer ersten Sende-/Empfangseinheit (30) von einer Sensoranordnung (10) und/oder von einer fahrzeuggebundenen Erfassungs- und Auswerteeinheit (20) bereitgestellte und/oder ausgegebene Signale oder Daten drahtlos zu übertragen, insbesondere an eine zentrale oder übergeordnete Erfassungs- und/oder Auswerteeinheit (50).
Überwachungsanordnung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher die Erfassungs- und Auswerteeinheit (20, 50) eingerichtet ist, die Ausgabe eines Warnsignals zu veranlassen, wenn ein Warnkriterium erfüllt ist, wobei das Warnkriterium repräsentativ ist für das Überschreiten einer momentanen und/oder einer kumulierten Last einer oder mehrerer Komponenten (5) des Fahrwerks (4) und/oder des Fahrgestells eines gegebenen Fahrzeugs (2).
Überwachungsanordnung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, welche eingerichtet ist, ein detektiertes Fahrprofil selbstständig an andere Fahrzeuge (2) zu kommunizieren und diese vor möglicherweise schädigenden Lastfällen zu warnen und/oder zur Vermeidung eines Schadens eine Geschwindigkeit zu empfehlen, mit der eine mit einem Lastfall im Zusammenhang stehende Position zu passieren ist.
Kraftfahrzeug (2) und insbesondere Personenkraftwagen, Bus oder Lastkraftwagen, mit einem Fahrwerk (4) und einem Fahrgestell, bei welchem - eine Überwachungsanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 oder ein Teil davon ausgebildet ist und - mindestens ein Faser-Bragg-Gitter-Sensor (11) einer Sensoranordnung (10) der Überwachungsanordnung (1) teilweise oder vollständig in oder an einer Komponente (5) des Fahrwerks (4) und/oder des Fahrgestells des Kraftfahrzeugs (2) integriert ist, um thermisch und/oder mechanisch hervorgerufene Lasten in der Komponente (21) des Fahrwerks (4) und/oder des Fahrgestells zu messen und auszuwerten.
Überwachungsverfahren für Kraftfahrzeuge (2), insbesondere für Personenkraftwagen, Busse und Lastkraftwagen und/oder unter Verwendung einer Überwachungsanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei welchem zum Erfassen thermischer und/oder mechanischer Lasten an mindestens einer Komponente (5) eines Fahrwerks (4) und/oder eines Fahrgestells eines zu Grunde liegenden Kraftfahrzeugs (2) und zur Ausgabe von für die Lasten repräsentativen Signalen ein in einem Lichtwellenleiter (12) integrierter Faser-Bragg-Gitter-Sensor (11) teilweise oder vollständig in oder an der Komponente (5) des Fahrwerks (4) und/oder des Fahrgestells des Kraftfahrzeugs (2) integriert wird, um thermisch und/oder mechanisch hervorgerufene Lasten in der Komponente (21) des Fahrwerks (4) und/oder des Fahrgestells zu messen und auszuwerten.