DE102017210038B4

DE102017210038B4 - Sensorbefestigungsanordnung in einem Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102017210038B4
Application number: DE102017210038.9A
Authority: DE
Inventors: Bruno Alves; Sebastian STAUFF
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2017-06-14
Filing date: 2017-06-14
Publication date: 2020-02-13
Anticipated expiration: 2037-06-15
Also published as: DE102017210038A1; US20180364077A1; CN109080571A; US10598523B2

Abstract

Sensorbefestigungsanordnung mit einem Sensorträger (2) als mechanische Verbindung eines Sensors (1) mit einem Bauteil eines Kraftfahrzeugs, wobei der Sensorträger (2) einen Sensorabschnitt (4) zur Befestigung des Sensors (1) an dem Sensorträger (2), mindestens einen Bauteilabschnitt (7, 8) zur Befestigung des Sensorträgers (2) an dem Bauteil und mindestens einen Zwischenabschnitt (5, 6) aufweist, der den Sensorabschnitt (2) mit dem mindestens einen Bauteilabschnitt (7, 8) verbindet, wobei der Sensorträger (2) mindestens in dem mindestens einen Zwischenabschnitt (5, 6) aus einem an sich steifen Material besteht, das Ausnehmungen aufweist, die mindestens abschnittsweise regelmäßig angeordnet sind, und zwar derart, dass das Material des Sensorträgers (2) in dem mindestens einen Zwischenabschnitt (5, 6) in mindestens einer Richtung ab einer definierten Mindest-Krafteinwirkung in sich verformbarer ist als in irgendeiner anderen Richtung. dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil ein Kühler (3) oder eine Kühlerjalousie ist, wovor und woran der Sensor (1) mittels des Sensorträgers (2) befestigt ist, und dass das Material, aus dem der Sensorträger (2) mindestens in dem mindestens einen Zwischenabschnitt (5, 6) besteht, ein in drei Dimensionen zellulares Material mit geschlossenzelliger oder offenzelliger Struktur ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Sensorbefestigungsanordnung sowie ein Kraftfahrzeug gemäß den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 10. Eine derartige Sensorbefestigungsanordnung ist aus der JP 2000 313 305 A bekannt.
Ein Sensorträger als mechanische Verbindung eines Sensors mit einem Kraftfahrzeug-Bauteil, wobei der Sensorträger einen Sensorabschnitt zur Befestigung des Sensors an dem Sensorträger, mindestens einen Bauteilabschnitt zur Befestigung des Sensorträgers an dem Bauteil und mindestens einen Zwischenabschnitt aufweist, der den Sensorabschnitt mit dem mindestens einen Bauteilabschnitt verbindet, ist aus der US 6 085 598 bekannt und dient dort zur Befestigung eines Benzintank-Drucksensors. Damit bei einem Unfall kein Leck entstehen kann, befindet sich zwischen dem Sensorträger und dem Sensor eine Sollbruchstelle.
Die US 5 326 133 offenbart eine Aufprallsensor- und Trägeranordnung vor einem Kraftfahrzeug-Kühler. Der aus einem einfachem Stück Blech bestehende Träger besitzt einen verformbaren Zwischenabschnitt, der sich bei einem Aufprall auf eine vorhersagbare kontrollierte Weise verformt.
Auch bei anderen Sensoren in Kraftfahrzeugen, insbesondere solchen, die eher exponiert angeordnet sind, kann das Problem bestehen, dass bei einem Unfall, bei dem der Sensor getroffen wird, nicht nur der Sensor selbst, sondern auch das Bauteil beschädigt wird, an dem der Sensor befestigt ist, was aufwändigere Reparaturen nach sich zieht. Auch ist es möglich, dass ein fest am Fahrzeug montierter Sensor bei einem Unfall Fußgänger verletzt.
Ein Beispiel ist ein Tempomat-Sensor, d. h. ein Sensor für ein Geschwindigkeitsregelungssystem, der zweckmäßig mittels eines Sensorträgers vor dem unteren Teil eines Kühlers befestigt und in Position gehalten wird. Selbst bei einem kleinen Unfall, oder wenn versehentlich Druck auf den Sensor ausgeübt wird, kann der Sensorträger den empfindlichen Kühler oder Anbauteile desselben zerstören, wie z. B. eine sog. aktive Kühlerjalousie, welche den Luftstrom durch den Kühler bedarfsabhängig regelt. Die Folge sind unangemessen hohe Reparaturkosten, da nicht nur der Kühler und/oder Anbauteile ersetzt werden müssen, sondern zusätzliche Montagearbeiten anfallen, z. B. für Demontage und Wiedermontage des Stoßfängers. Dies gilt natürlich nicht nur für einen Tempomat-Sensor, sondern in ähnlicher Weise für alle Arten von Sensoren, die vorzugsweise im Frontend-Bereich des Fahrzeugs eingesetzt werden, wie z.B. einen Außentemperatur-Sensor, einen LIDAR-Sensor oder auch andere Sensoren.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Sensorbefestigungsanordnung anzugeben, mit der die vorgenannten Probleme beseitigt werden.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch eine Sensorbefestigungsanordnung und durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 10 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Gemäß der Erfindung besteht der Sensorträger mindestens in dem mindestens einen Zwischenabschnitt aus einem an sich steifen zellularen Material, dessen Hohlräume mindestens abschnittsweise regelmäßig angeordnet sind, und zwar derart, dass das Material des Sensorträgers in dem mindestens einen Zwischenabschnitt in mindestens einer Richtung ab einer definierten Mindest-Krafteinwirkung in sich verformbarer ist als in mindestens einer oder irgendeiner anderen Richtung.
Ein erfindungsgemäßer Sensorträger kann Stoßenergie aufnehmen und dadurch nicht nur den Sensor, sondern auch das Kraftfahrzeug-Bauteil, an dem der Sensor befestigt ist, und ggf. auch Fußgänger im Falle eines Unfalls od. dgl. schonen. Darüber hinaus besitzt ein derartiger Sensorträger eine gute Eigensteifigkeit für gut definierte Position und Winkelposition des Sensors, und er besitzt außerdem Vibrationsfreiheit und geringes Eigengewicht. Und weil ein derartiger Sensorträger nach einem Unfall normalerweise nicht zerbricht, sondern nur partiell zusammenschrumpft, hängt der Sensor nach einem Unfall nicht lose herum, sondern bleibt in der Regel ruhig an dem Sensorträger und dem Kraftfahrzeug-Bauteil sitzen, und das letztere wird in vielen Fällen funktionstüchtig bleiben.
Unter einem an sich steifen, aber in sich verformbaren zellularen Material wird hier ein Material verstanden, das sich erst ab der definierten Mindest-Krafteinwirkung nennenswert verformt, und zwar mehr oder weniger inelastisch unter Änderung der Zellstruktur des Materials, insbesondere der Größen und der Positionen der Hohlräume relativ zueinander, wobei einzelne Wände der Hohlraume nachgeben oder brechen können, jedoch ohne dass der Sensorträger als Ganzes bricht. Somit kann eine derartige Verformung auch als eine „Zerquetschung“, „Verknautschung“ oder „Komprimierung“ des zellularen Sensorträgermaterials bezeichnet werden.
Eine Richtungsabhängigkeit der Verformbarkeit des Sensorträgermaterials in dem mindestens einen Zwischenabschnitt entsteht insbesondere dadurch, dass irgendein in allen drei Raumrichtungen gleich großes Volumenelement, z. B. in Form eines Würfels, in mindestens einer Richtung mit weniger Kraftaufwand inelastisch verformbar ist wie in mindesten einer anderen Richtung. Der Kraftaufwand kann z. B. halb so groß sein, um eine Zahl zu nennen, doch kann das Kräfteverhältnis auch sehr viel größer sein als ein Faktor zwei, so dass das Sensorträgermaterial in einer oder zwei anderen Richtungen als der mindestens einen Richtung, in denen es oberhalb einer definierten Mindest-Krafteinwirkung verformt wird, praktisch starr ist und erst bei Kräften, die ein Vielfaches der definierten Mindestkraft betragen, bricht oder praktisch widerstandslos kollabiert.
Vorzugsweise besteht der Sensorträger vollständig aus einem an sich steifen zellularen Material, wobei die Festigkeiten von Volumenelementen des Sensorabschnitts und des mindestens einen Bauteilabschnitts richtungsunabhängig sind und größer als die Festigkeit von Volumenelementen des mindestens einen Zwischenabschnitts in Richtung von dessen leichterer Verformbarkeit sind, um problemlose Verbindungen des Sensorträgers mit dem Sensor bzw. dem Kraftfahrzeug-Bauteil zu ermöglichen, z. B. mittels Schrauben und entsprechenden Schraublöchern im Sensorträger.
Vorzugsweise ist der Sensorträger in einem Stück mittels 3D-Druck hergestellt. 3D-Druck ist besonders geeignet, abschnittsweise richtungsunabhängige und richtungsabhängige Verformbarkeiten in einem einzigen Bauteil für den Sensorträger zu realisieren, z. B. durch Sandwich- und/oder Gitterstrukturen in dem mindestens einen Zwischenabschnitt, und ist auch in Kleinserien kostengünstig. Die Bezeichnung 3D-Druck bezieht sich dabei auf alle Arten von Additiver Fertigung, d.h. auf generative Fertigungsverfahren, und ist nicht auf 3D-Druck-Techniken im engeren Sinne begrenzt.
In einer Ausführungsform hat der Sensorträger die Form eines länglichen Bügels, dessen mittlerer Abschnitt den Sensorabschnitt bildet und dessen Enden jeweils einen der Bauteilabschnitte bilden, wobei der mittlere Abschnitt und die Enden jeweils durch einen Zwischenabschnitt miteinander verbunden sind.
In einer weiteren Ausführungsform hat der Sensorträger (2) die Form eines Winkels, dessen erster Endabschnitt den Sensorabschnitt (4) bildet und dessen zweiter Endabschnitt einen der Bauteilabschnitte (6, 7) bildet, wobei der zweite Endabschnitt gegenüber dem ersten Endabschnitt einen Winkelversatz hat, und wobei der erste Endabschnitt und der zweite Endabschnitt durch einen Zwischenabschnitt (5, 6) miteinander verbunden sind.
Vorzugsweise ist das Material des Sensorträgers in dem mindestens einen Zwischenabschnitt in einer Richtung, welche einer Messrichtung eines am Sensorträger angebrachten Sensors entspricht, verformbarer als in anderen Richtungen.
Es folgt eine Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen. Darin zeigen:

1 eine Querschnittsansicht durch einen Tempomat-Sensor, der mittels eines Sensorträgers an einem Kühler oder einer Kühlerjalousie befestigt ist; und
2 Teilquerschnitte durch einige mögliche partielle Materialstrukturen in dem Sensorträger von 1.

1 zeigt einen Tempomat-Sensor 1, der mittels eines Sensorträgers 2 zwischen einem Kühler 3 und einem nicht gezeigten Kühlergrill eines Kraftfahrzeugs befestigt ist. Alternativ kann das mit 3 bezeichnete Element eine unmittelbar vor dem eigentlichen Kühler angeordnete Kühlerjalousie oder ein anderes Bauteil des Kraftfahrzeugs sein.
Der Sensorträger 2 ist ein einstückiges Teil in der Form eines länglichen gebogenen Bügels, dessen mittlerer Abschnitt einen Sensorabschnitt 4 bildet, an den der Sensor 1 geschraubt ist, und dessen zwei Arme jeweils in einen Zwischenabschnitt 5, 6 und einen distalen Bauteilabschnitt 7, 8 unterteilt sind, wobei die Bauteilabschnitte 7, 8 jeweils an den Kühler 3 geschraubt sind. Eine der Schrauben, mit denen der Sensor 1 an den Sensorträger 2 geschraubt ist, ist eine Positionseinstellschraube zum Justieren eines in Fahrtrichtung weisenden Erfassungsbereichs 9 des Sensors 1.
Der Sensorträger 2 besteht aus einem an sich steifen zellularen Material, dessen Festigkeit bzw. Nachgiebigkeit oder Verformbarkeit in unterschiedlichen Abschnitten unterschiedlich groß sowie abschnittsweise richtungsunabhängig oder richtungsabhängig ist.
Insbesondere ist der Bauteilabschnitt 7, 8 des Sensorträgers 2 in mit ovalen Kreisen 11 angedeuteten Bereichen der Verschraubung mit dem Kühler 3 relativ massiv und nicht oder nur sehr schwer verformbar, und in daran angrenzenden, mit Symbolen 12 angedeuteten Bereichen der Bauteilabschnitte 7, 8 sowie im Bereich des Sensorabschnitts 4 ist der Sensorträger 2 etwas weniger massiv, aber stabil genug für Übertragung der Haltekräfte zwischen Sensor 1, Sensorträger 2 und Kühler 3.
Am nachgiebigsten bzw. verformbarsten ist der Sensorträger 2 im Bereich der Zwischenabschnitte 5, 6, wo in 1 keine Kreise 11 oder Symbole 12 eingezeichnet sind, sondern nur eine Schraffur. In den Zwischenabschnitten 5, 6 ist die Verformbarkeit des Sensorträger 2 außerdem richtungsabhängig oder zumindest richtungsabhängiger als in den Sensor- und Bauteilabschnitten 4, 7 und 8. Für den hier beschriebenen Anwendungsfall und vergleichbare Anwendungsfälle ist der Sensorträger 2 in Fahrtrichtung verformbarer als quer dazu.
Die vergleichsweise höhere Festigkeit der Sensor- und Bauteilabschnitte 4, 7 und 8 kann durch höhere Wanddicken von Zellen des Materials in diesen Abschnitten oder auch durch partielle Massivität erzielt werden.
Der Sensorträger 2 kann mittels 3D-Druck aus einem dafür geeigneten Material wie z. B. Kunststoff, Metall oder Keramik hergestellt werden, wobei die richtungsabhängige Verformbarkeit der Zwischenabschnitte 5, 6 durch geeignete Zellularstrukturen erzielt wird.
Beispiele für Strukturen mit richtungsabhängiger Verformbarkeit sind in 2 bei a), b) und c) gezeigt. Werden solche Strukturen aufeinander geschichtet, ergeben sich Sandwich- und/oder Gitterstrukturen z. B. aus gerippten oder geriffelten Schichten mit sehr großer Eigenfestigkeit in Bezug auf das Eigengewicht. Auch andere regelmäßige Strukturen wie z. B. Wabenstrukturen kommen in Betracht. Des weiteren kommen sog. bionische Strukturen in Betracht, für die es in der Natur Vorbilder gibt und die auch nicht so regelmäßig sein müssen wie es konstruktiv erzeugte Strukturen normalerweise sind. Die Materialstruktur kann geschlossenzellig oder offenzellig sein.
CAE-Analysen ermöglichen es, genau festzulegen, wo in der Materialmatrix Zellenwände bei einem Unfall zuerst kollabieren werden und wie sich dies zu einer Gesamtverformung des Sensorträgers 2 fortpflanzt. So lässt sich auch exakt die zur Verformung des Sensorträgers 2 nötige Energie festlegen. Ferner wird der Sensorträger 2 so gestaltet, dass er bei einem Unfall normalerweise nicht zerbricht, sondern in einem Stück bleibt.

Claims

Sensorbefestigungsanordnung mit einem Sensorträger (2) als mechanische Verbindung eines Sensors (1) mit einem Bauteil eines Kraftfahrzeugs, wobei der Sensorträger (2) einen Sensorabschnitt (4) zur Befestigung des Sensors (1) an dem Sensorträger (2), mindestens einen Bauteilabschnitt (7, 8) zur Befestigung des Sensorträgers (2) an dem Bauteil und mindestens einen Zwischenabschnitt (5, 6) aufweist, der den Sensorabschnitt (2) mit dem mindestens einen Bauteilabschnitt (7, 8) verbindet, wobei der Sensorträger (2) mindestens in dem mindestens einen Zwischenabschnitt (5, 6) aus einem an sich steifen Material besteht, das Ausnehmungen aufweist, die mindestens abschnittsweise regelmäßig angeordnet sind, und zwar derart, dass das Material des Sensorträgers (2) in dem mindestens einen Zwischenabschnitt (5, 6) in mindestens einer Richtung ab einer definierten Mindest-Krafteinwirkung in sich verformbarer ist als in irgendeiner anderen Richtung. dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil ein Kühler (3) oder eine Kühlerjalousie ist, wovor und woran der Sensor (1) mittels des Sensorträgers (2) befestigt ist, und dass das Material, aus dem der Sensorträger (2) mindestens in dem mindestens einen Zwischenabschnitt (5, 6) besteht, ein in drei Dimensionen zellulares Material mit geschlossenzelliger oder offenzelliger Struktur ist.
Sensorbefestigungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Zwischenabschnitts (5, 6) ein Material ist, das sich erst ab der definierten Mindest-Krafteinwirkung unter Änderung der Zellstruktur des Materials inelastisch verformt.
Sensorbefestigungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, dass irgendein in allen drei Raumrichtungen gleich großes Volumenelement des mindestens einen Zwischenabschnitts (5, 6) in mindestens einer Richtung mit weniger als dem halben Kraftaufwand als in mindesten einer anderen Richtung inelastisch verformbar ist.
Sensorbefestigungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensorträger (2) vollständig aus dem in drei Dimensionen zellularen Material mit geschlossenzelliger oder offenzelliger Struktur besteht, wobei die Festigkeiten von Volumenelementen des Sensorabschnitts (4) und des mindestens einen Bauteilabschnitts (7, 8) richtungsunabhängig sind und größer als die Festigkeit von Volumenelementen des mindestens einen Zwischenabschnitts (5, 6) in Richtung von dessen leichterer Verformbarkeit sind.
Sensorbefestigungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensorträger (2) in einem Stück mittels 3D-Druck hergestellt ist.
Sensorbefestigungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensorträger (2) zumindest in dem mindestens einen Zwischenabschnitt (5, 6) eine Sandwich- und/oder Gitterstruktur aufweist.
Sensorbefestigungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensorträger (2) die Form eines länglichen Bügels hat, dessen mittlerer Abschnitt den Sensorabschnitt (4) bildet und dessen Enden jeweils einen der Bauteilabschnitte (7, 8) bilden, wobei der mittlere Abschnitt und die Enden jeweils durch einen Zwischenabschnitt (5, 6) miteinander verbunden sind.
Sensorbefestigungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensorträger (2) die Form eines Winkels hat, dessen erster Endabschnitt den Sensorabschnitt (4) bildet und dessen zweiter Endabschnitt einen der Bauteilabschnitte (7, 8) bildet, wobei der zweite Endabschnitt gegenüber dem ersten Endabschnitt einen Winkelversatz hat, und wobei der erste Endabschnitt und der zweite Endabschnitt durch einen Zwischenabschnitt (5, 6) miteinander verbunden sind.
Sensorbefestigungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Sensorträgers (2) in dem mindestens einen Zwischenabschnitt (5, 6) in einer Richtung, welche einer Messrichtung des Sensors (1) entspricht, verformbarer ist als in anderen Richtungen.
Kraftfahrzeug mit einem Kühler (3) und einem Tempomat-Sensor (1), dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftfahrzeug eine Sensorbefestigungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist, mittels derer der Sensor (1) in Fahrtrichtung vor dem Kühler (3) oder einer vor dem Kühler (3) angeordneten Kühlerjalousie befestigt ist und davon getragen wird.