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Die Erfindung betrifft ein Fahrzeugbauteil zur Integration eines Umgebungserfassungssensors in ein Fahrzeug.
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Um vollautomatisiertes oder autonomes Fahren zu ermöglichen, wird eine Vielzahl von Umgebungsdaten benötigt. Diese werden durch Umgebungserfassungssensoren am Fahrzeug bereitgestellt und in Steuergeräten weiterverarbeitet und ausgewertet. Als Umgebungserfassungssensoren kommen z.B. Lidar- oder Radarsensoren sowie Kameras zum Einsatz. Insbesondere die Lidar-Technik bietet dabei eine Umfelderkennung mit hoher Reichweite in Kombination mit einem breiten Erfassungsbereich.
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Die erforderliche Sensorik muss an verschiedenen Stellen des Fahrzeugs, u.a. auch im Dachbereich untergebracht werden. In Fahrzeugstudien werden Lidarsensoren bisher auf das Fahrzeugdach aufgesetzt. Dort bilden sie jedoch eine optische und aerodynamische Störkontur aus. Weiterhin ist es bekannt, Lidare im Bereich des Stoßfängers in die Fahrzeugfront zu integrieren. Dabei kann es aus Designgründen Schutzvorrichtungen geben, welche vor dem Lidar angeordnet werden und das Lidar optisch in den Hintergrund treten lassen. Diese Schutzvorrichtungen stören jedoch die Funktion des Lidars und müssen aufwendig kalibriert werden.
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Aus der Druckschrift
DE 10 2016 104 871 A1 ist es weiterhin bekannt, einen Umgebungsinformationserfassungssensor zu einer Fahrzeugaußenseite hin an einem eine geschlossene Querschnittsform aufweisenden Karosserieelement anzubringen. Der Sensor wird zu der Fahrzeugaußenseite durch eine signaldurchlässige Abdeckung bedeckt. Allerdings ist die vorgeschlagene Lösung fertigungstechnisch aufwendig und die Möglichkeiten sind begrenzt, den Sensor ohne Anpassung der äußeren Fahrzeugkontur zu integrieren.
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Vor diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der Erfindung eine Möglichkeit anzugeben, wie die Integration eines Umgebungserfassungssensors in ein Kraftfahrzeug verbessert werden kann. Insbesondere soll die Integration so gestaltet werden, dass das Erscheinungsbild und die Aerodynamik des Fahrzeugs möglichst wenig beeinflusst werden.
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Gelöst wird die Aufgabe durch ein Fahrzeugbauteil nach Patentanspruch 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
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Es wird ein Fahrzeugbauteil zur Integration eines Umgebungserfassungssensors in ein Fahrzeug angegeben. Das Fahrzeugbauteil ist als Kunststoffbauteil ausgebildet und weist einen Hauptkörper mit einer Ausnehmung zur Aufnahme des Umgebungserfassungssensors auf. Zu einer Sichtseite des Bauteils hin ist die Ausnehmung durch einen Abdeckungsabschnitt begrenzt der eine Signaldurchtrittsfläche oder eine Signaldurchtrittsöffnung aufweist.
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Mit anderen Worten gesagt wird also in dem Hauptkörper eine von außen vollständig oder weitgehend bedeckte Ausnehmung geschaffen, in der der Umgebungserfassungssensor aufgenommen werden kann. In dem Abdeckungsabschnitt ist entweder eine Signaldurchtrittsöffnung vorgesehen, oder zumindest ein Teil des Abdeckungsabschnitts ist als Signaldurchtrittsfläche gestaltet, d.h. die vom Sensor ausgesandten und empfangenen Signale können durch die Signaldurchtrittsfläche bzw. die Signaldurchtrittsöffnung hindurchtreten. So wird es möglich, mit einem im Inneren des Hauptkörpers angeordneten Sensor die Umgebung außerhalb des Fahrzeugbauteils bzw. außerhalb des Fahrzeugs zu erfassen. Indem das Fahrzeugbauteil als Kunststoffbauteil ausgebildet ist, wird eine hohe Flexibilität hinsichtlich der geometrischen Gestaltung der Ausnehmung ermöglicht. Mittels Kunststofftechnik können Formen realisiert werden, die sich mit Metallbauteilen nicht oder nur sehr aufwendig abbilden lassen. Durch die Ausbildung des Bauteils als Kunststoffbauteil wird es möglich, den Sensor im Inneren des Bauteils quasi „verschwinden“ zu lassen, ohne dass die Sensorintegration zu von außen erkennbaren Veränderungen am Bauteil führen muss. Durch die Verlagerung des Sensors in das Innere des Bauteils wird die Gesamtoptik und Aerodynamik des Fahrzeugs verbessert, da die Bauteilkontur entsprechend den optischen oder aerodynamischen Anforderungen gestaltet werden kann.
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Die Ausnehmung im Hauptkörper ist ausgestaltet um den Umgebungserfassungssensor aufzunehmen. Die Ausnehmung kann z.B. als Vertiefung im Hauptkörper oder als Durchgangsöffnung im Hauptkörper ausgestaltet sein. Die Ausnehmung kann der Form des Sensors angepasst sein und diesen z.B. - zumindest teilweise - formschlüssig aufnehmen. Die Ausnehmung ist vorzugsweise so groß ausgebildet, dass der Umgebungserfassungssensor vollständig in der Ausnehmung aufgenommen werden kann. Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass ein montierter Umgebungserfassungssensor gegenüber einer Außenkontur des Hauptkörpers bündig abschließt bzw. gegenüber dieser zurückversetzt ist. Auf diese Art kann der Umgebungserfassungssensor quasi im Bauteil „versenkt“ werden, wodurch der Verlauf der Außenkontur des Fahrzeugbauteils ohne Beeinflussung durch die Sensorintegration bleibt.
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Die Ausnehmung reicht bis an eine Sichtseite des Fahrzeugbauteils heran. Dort ist sie durch den Abdeckungsabschnitt begrenzt. Die Sichtseite des Bauteils bleibt im verbauten Zustand am Fahrzeug sichtbar, wird also nicht durch weitere Bauteile oder Anbauteile verdeckt. Die Sichtseite des Fahrzeugbauteils bildet vorzugsweise einen Teil der Außenhaut des Fahrzeugs. Der Abdeckungsabschnitt bildet zumindest einen Teil der Sichtseite des Fahrzeugbauteils.
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Es ist besonders bevorzugt, dass der Abdeckungsabschnitt einstückig mit dem Hauptkörper ausgebildet ist. Unter dem Begriff einstückig ist dabei zu verstehen, dass Abdeckungsabschnitt und Hauptkörper nicht ohne Beschädigung voneinander getrennt werden können. Dies hat den Vorteil, dass der Sensor in der Ausnehmung besonders gut gegen Einwirkungen von außen geschützt werden kann. Zudem erleichtert eine einstückige Ausbildung die Montage des Fahrzeugbauteils am Fahrzeug.
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Es ist denkbar, den Abdeckungsabschnitt und den Hauptkörper aus einem gemeinsamen Kunststoffmaterial einteilig auszubilden. Um den unterschiedlichen Funktionen von Abdeckungsabschnitt und Hauptkörper besser Rechnung tragen zu können und dennoch eine zuverlässig dichte, gegen Staub und Feuchtigkeit von außen geschützte Aufnahme für den Sensor bereitzustellen, wird in einer Ausgestaltung der Abdeckungsabschnitt an den Hauptkörper angespritzt. Für den Abdeckungsabschnitt und den Hauptkörper können unterschiedliche Kunststoffe verwendet werden.
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Der Abdeckungsabschnitt kann zumindest teilweise als Signaldurchtrittsfläche ausgebildet sein. Das bedeutet, dass der Abdeckungsabschnitt in Form und Materialwahl so gestaltet ist, dass er zumindest in einem Teilbereich für die Sensorsignale ausreichend durchlässig ist. So kann die Sensorfunktion gewährleistet werden, obwohl der Sensor im Fahrzeugbauteil angeordnet ist und nach außen abgedeckt ist. Der Abdeckungsabschnitt ist aus einem Kunststoffmaterial ausgebildet. Als Kunststoffmaterial eignet sich beispielsweise Polycarbonat (PC). PC ist insbesondere für die bei Lidar-Sensoren verwendete Laserstrahlung geeignet.
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Der Abdeckungsabschnitt kann zusätzlich eingefärbt sein, um den Sensor zu verblenden. Dies ermöglicht eine noch unauffälligere Integration des Umgebungserfassungssensors in das Fahrzeug. Der Abdeckungsabschnitt kann weiterhin unterschiedliche Materialstärken aufweisen, so kann der Abdeckungsabschnitt im Bereich der Signaldurchtrittsfläche eine reduzierte Wandstärke aufweisen, also eine geringere Dicke als im restlichen Abdeckungsabschnitt. Hierdurch kann die Transmission durch die Signaldurchtrittsfläche weiter verbessert werden und die Sensorreichweite und Qualität der Sensordaten gesteigert werden.
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Der Hauptkörper definiert die strukturellen und mechanischen Eigenschaften des Fahrzeugbauteils. Er kann aus einem duroplastischen und/oder thermoplastischen Kunststoffmaterial ausgebildet sein. Der Hauptkörper kann vorzugsweise eine Faserverstärkung aufweisen. Diese kann nur in Teilabschnitten oder im gesamten Hauptkörper angeordnet sein. Der Hauptkörper des Bauteils kann beispielsweise aus einem faserverstärkten Kunststoff bestehen. Als Verstärkungsfasern können vorzugsweise Kohlenstoff-, Glas- oder Aramidfasern verwendet werden. Die Faserverstärkung kann z.B. in Form von Endlosfasern vorliegen, die als ein- oder mehrschichtige Anordnung von Gewebe, Geflecht, Gelege o.ä. ausgebildet sein kann. Die Faserverstärkung im Hauptkörper steigert die Festigkeit und mechanische Belastbarkeit des Fahrzeugbauteils. Durch geeignete Führung der Verstärkungsfasern wird es möglich, ein Bauteil zu schaffen, was den Anforderungen an ein Karosseriebauteil und insbesondere an ein Strukturbauteil in einem Kraftfahrzeug gerecht wird und dennoch eine ausreichend große und der Sensorform angepasste Ausnehmungen für den Sensor zu schaffen.
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Besonders hohe Freiheitsgrade bezüglich der Sensorintegration ergeben sich, wenn der Hauptkörper in einer Ausgestaltung in Skelettbauweise ausgebildet ist. Bei der Skelettbauweise wird die Steifigkeit der Bauteile über eine faserverstärkte fachwerkartige Struktur erzielt. Diese Skelettstruktur kann über zusätzliches Material geschlossen werden. Die Faserverstärkung kann lastpfadgerecht und nur in den Bereichen eingesetzt werden, in denen eine Faserverstärkung zur Erzielung der gewünschten Bauteileigenschaften notwendig ist. Beispielsweise ist es bekannt, faserverstärkte Stäbe im Pultrusionsverfahren herzustellen, diese zu einem Skelett umzuformen und im Spritzguss-Verfahren mit einer thermoplastischen Matrix zu umspritzen, welche dann die Außengeometrie des Bauteils herstellt. Dieser grundlegende Aufbau eines Skelettbauteils kann im Rahmen der Erfindung nun vorteilhaft genutzt werden. So kann der Hauptkörper in einer Ausgestaltung eine Skelettstruktur mit mehreren faserverstärkten Stäben aufweisen und die Ausnehmung ist zwischen den Stäben angeordnet. Beispielsweise können die Stäbe zumindest teilweise um die Ausnehmung herum geführt sein. Die Skelettbauweise ermöglicht es, eine Ausnehmung mit quasi beliebiger Tiefe im Bauteil vorzusehen, wodurch die Integration auch großer Sensoren vereinfacht bzw. erstmals ermöglicht wird. Die Skelettbauweise ermöglicht zudem einen hohen Freiheitsgrad hinsichtlich der Positionierung der Ausnehmung im Fahrzeugbauteil.
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Das Fahrzeugbauteil kann insbesondere ein Karosseriebauteil und vorzugsweise ein Strukturbauteil eines Kraftfahrzeugs sein. Beispielsweise kann es sich um einen Dachrahmen, eine Fahrzeugsäule (A-, B-, C-, D-Säule), einen Heckfensterrahmen, ein Dach o.ä. handeln.
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In einer weiteren Ausgestaltung kann es sich bei dem Fahrzeugbauteil um ein Knotenelement in einer Fahrzeugkarosserie handeln. Solche Knoten finden sich z.B. am Übergang des Dachrahmens zur A- Säule oder am hinteren Ende des Dachs am Übergang des Dachrahmens zur C-/oder D-Säule. Solche Eckpositionen bieten Vorteile für die Integration eines Umgebungsinformationssensors, da sie sehr hoch am Fahrzeug angeordnet sind und damit eine gute Reichweite und „Blick“ über die anderen Fahrzeuge ermöglichen. Weiterhin ist der vom Sensor erfassbare Winkelbereich sehr groß und kann z.B. annähernd 270 Grad betragen.
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Es ist vorteilhaft, wenn der Umgebungserfassungssensor erst zu einem späten Zeitpunkt, z.B. nach Fertigstellung und Lackierung der Fahrzeugkarosserie in dem Fahrzeugbauteil montiert wird. Vorteilhafter Weise kann das Fahrzeugbauteil daher in einer Ausgestaltung weiterhin eine Öffnung aufweisen, durch die der Umgebungserfassungssensor in die Ausnehmung eingeführt werden kann. Die Öffnung kann dabei derart positioniert sein, dass sie z.B. in einen Innenraum des Fahrzeugs gerichtet ist und im fertigen Fahrzeug durch ein weiteres Fahrzeugbauteil, wie z.B. eine Innenverkleidung, bedeckt ist. Dies hat den weiteren Vorteil, dass der Sensor auch nachträglich noch mit geringem Aufwand zugänglich ist.
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Damit der Kalibrierungsaufwand gering ist, ist es wichtig den Sensor an genau positionierter Stelle im Fahrzeugbauteil zu montieren. Zur Verringerung der Montagetoleranzen ist es vorteilhaft, wenn an den Hauptkörper des Fahrzeugbauteils oder den Abdeckungsabschnitt ein Befestigungselement zur Befestigung des Umgebungserfassungssensors mit angeformt ist. Weist der Sensor ein entsprechendes Gegenelement auf, so kann auf einfache Art und Weise eine hochgenaue Montage und Positionierung des Sensors im Bauteil erreicht werden. Ein derartiges Befestigungselement kann z.B. ein Rast- oder Clipselement sein. Das Befestigungselement kann z.B. aus dem Kunststoffmaterial des Hauptkörpers bzw. des Abdeckungsabschnitts ausgebildet sein und wird vorteilhafter Weise direkt bei der Bauteilherstellung, z.B. durch eine entsprechende Aussparung im Formwerkzeug, mit ausgebildet.
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Das voranstehend beschriebene Fahrzeugbauteil dient zur Integration eines Umgebungsinformationssensors. Dieser wird in der Ausnehmung des Fahrzeugbauteils so angeordnet, dass die Signaldurchtrittsfläche bzw. die Signaldurchtrittsöffnung im Erfassungsbereich des Sensors liegt. Als Erfassungsbereich wird dabei der Raum bezeichnet, in dem der Sensor bauartbedingt durch Aussenden und Empfangen von Signalen die Umgebung erfassen kann. Durch diese Anordnung kann der Sensor optisch hinter dem Abdeckungsabschnitt verborgen sein und dennoch Signale durch die Signaldurchtrittsfläche senden und empfangen. Weist der Abdeckungsabschnitt eine Signaldurchtrittsöffnung auf, so kann der Sensor bis in an diese Signaldurchtrittsöffnung hinanreichen und z.B. bündig mit dem Abdeckungsabschnitt enden. Dies ermöglicht eine sehr unauffällige Integration des Sensors in das Fahrzeugbauteil.
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Bei dem Umgebungserfassungssensor handelt es sich vorzugsweise um einen Lidar-Sensor. Grundsätzlich ist auch die Verwendung anderer Sensoren, wie z.B. Radarsensoren oder Kameras denkbar, wobei die Materialwahl und Ausgestaltung der Signaldurchtrittsfläche entsprechend angepasst werden muss. Lidar (light detection and ranging) ist eine dem Radar verwandte Methode zur optischen Abstands- und Geschwindigkeitsmessung. Ein Lidar-Sensor sendet Laserimpulse aus und verwendet zurückgestreutes Licht zur Positions- und Geschwindigkeitsbestimmung. Die Lidar-Signale werden dabei z.B. durch Dioden, Filter und ggf. Umlenkelemente geformt und vom Sensor abgestrahlt.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung stellt die Signaldurchtrittsfläche nun eine erste Transmissionsfläche für die aus dem Sensor austretenden Signale dar. Die Signaldurchtrittsfläche übernimmt in dieser Ausgestaltung die weitere Funktion einer Schutzabdeckung des Sensors. Der Sensor kann also ohne separates Gehäuse in dem Fahrzeugbauteil montiert werden. Hierdurch kann eine Transmissionsfläche im Signalweg des Sensors eingespart werden, was die Reichweite der Signale und Qualität der Signalauswertung erhöht.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Sofern in dieser Anmeldung der Begriff „kann“ verwendet wird, handelt es sich sowohl um die technische Möglichkeit als auch um die tatsächliche technische Umsetzung.
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Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele an Hand der beiliegenden Zeichnungen erläutert. Darin zeigt:
- 1 eine Prinzipskizze eines beispielhaften Fahrzeugbauteils in einer perspektivischen Ansicht
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1 zeigt ein beispielhaftes Fahrzeugbauteil 1 zur Integration eines Umgebungserfassungssensors 30.
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Das Fahrzeugbauteil 1 beinhaltet einen Hauptkörper 10. Der Hauptkörper 10 ist in Skelettbauweise ausgebildet. Es weist mehrere stabartige Strukturen 12 aus endlosfaserverstärktem Kunststoff auf, die lastpfadgerecht angeordnet sind und durch mehrere Kunststoffstege 14 miteinander zu einem fachwerkartigen Grundkörper verbunden sind.
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Das gezeigte Bauteil 1 stellt beispielhaft einen Knoten zur Anbindung einer A-Säule 2 und eines Dachrahmens 3 dar. Es können noch weitere (nicht dargestellte) Bauteile mit dem Fahrzeugbauteil 1 verbunden werden. Beispielsweise kann an der Oberseite des Fahrzeugbauteils 1 noch ein Dach montiert werden.
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Das Fahrzeugbauteil 1 weist weiterhin einen Abdeckungsabschnitt 20 auf. Der Abdeckungsabschnitt 20 ist aus einem Kunststoff, wie z.B. (eingefärbtem) Polycarbonat ausgebildet. Der Abdeckungsabschnitt 20 ist vorzugsweise einstückig mit dem Hauptkörper 10 ausgebildet und z.B. an diesen angespritzt. Der Abdeckungsabschnitt 20 bildet zumindest einen Teil einer Sichtseite des Fahrzeugbauteils 1, welche im fertigen Fahrzeug sichtbar ist.
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In dem Hauptkörper 10 ist eine Ausnehmung 16 ausgebildet, die derart geformt ist, dass ein Umgebungserfassungssensor 30 darin aufgenommen werden kann. Beispielhaft ist eine näherungsweise zylinderförmige Ausnehmung 16 gezeigt, diese kann jedoch grundsätzlich auch jede andere Form aufweisen. Die Ausnehmung 16 ist einerseits durch den Hauptkörper 10 begrenzt. Zu der Sichtseite des Fahrzeugbauteils 1 hin wird die Ausnehmung 16 weiterhin durch den Abgrenzungsabschnitt 20 begrenzt.
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In der Ausnehmung 16 wird ein Umgebungserfassungssensor 30, z.B. ein Lidar-Sensor, angeordnet. Zur Montage des Sensors im Fahrzeugbauteil 1 weist die Ausnehmung 16 eine Öffnung 18 auf. In der Zeichnung ist diese auf der Unterseite des Fahrzeugbauteils 1 dargestellt, kann jedoch auch an anderer Stelle positioniert sein. Durch die Öffnung 18 wird der Umgebungserfassungssensor 30 in die Ausnehmung 16 eingeführt und positioniert. Die Öffnung 18 kann später z.B. durch ein Innenverkleidungsteil bedeckt werden.
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Der Umgebungserfassungssensor 30 ist vorzugsweise vollständig im Hauptkörper 10 aufgenommen und steht an keiner Stelle gegenüber der durch die stabartige Struktur 12 definierten äußeren Kontur vor. Der Sensor kann durch ein nicht dargestelltes Befestigungselement, das z.B. an dem Hauptkörper 10 mit ausgebildet ist, an dem Fahrzeugbauteil 1 fixiert sein.
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Der Umgebungserfassungssensor 30 hat einen Erfassungsbereich 32, in welchem er Signale aussenden und empfangen kann, dargestellt durch die strichlierten Pfeile in 1. Um eine Umgebungserfassung mit dem in das Fahrzeugbauteil 1 integrierten Umgebungserfassungssensor 30 zu ermöglichen, ist der Abdeckungsabschnitt 20 zumindest in einem Teilabschnitt als Signaldurchtrittsfläche 22ausgebildet, d.h. hinreichend durchlässig für die Signale des Umgebungserfassungssensors 30. Die Funktion der Signaldurchtrittsfläches 22 kann z.B. durch geeignete Materialwahl für den Abdeckungsabschnitt 20 und angepasste geometrische Abmessungen, wie z.B. Wandstärke im Bereich der Signaldurchtrittsfläche 22, realisiert werden. Alternativ könnte anstelle der Signaldurchtrittsfläche 22 auch eine Signaldurchtrittsöffnung vorgesehen sein, d.h. der Abdeckungsabschnitt könnte auf dieser Fläche eine Öffnung aufweisen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Fahrzeugbauteil
- 2
- A-Säule
- 3
- Dachrahmen
- 10
- Hauptkörper
- 12
- stabartige Struktur
- 14
- Kunststoffstege
- 16
- Ausnehmung
- 18
- Öffnung
- 20
- Abdeckungsabschnitt
- 22
- Signaldurchtrittsfläche
- 30
- Umgebungserfassungssensor
- 32
- Erfassungsbereich
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016104871 A1 [0004]
