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Die Erfindung betrifft ein Halteelement für Fahrzeugsensoren
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Bei bekannten Einrichtungen zum Schutz von elektronischen
Funktionseinheiten oder Funktionsgruppen sind
schwingungsdämpfende Kopplungselemente vorgesehen, die zwischen
kaskadenartig angeordneten Gehäusen angeordnet sind, in denen
Schaltkreise, Schaltungskomponenten und Fahrzeugsensoren
angeordnet sind (DE-A1 19 921 692 = P 9535). Fahrzeugsensoren,
die für die Regelung von Kraftfahrzeugen geeignet sind, sind
in der WO 99/47889 beschrieben. Hier ist ein System zum
Regeln oder Steuern unterschiedlicher fahrzeugdynamischer
Grössen eines Kraftfahrzeugs beschrieben, das zur Bremsregelung
(ABS), Antriebsschlupfregelung (ASR), Lenksteuerung
oder Lenkregelung, Fahrdynamikregelung (ESP) und/oder
Motormanagement geeignet ist. Insbesondere mit Sensoren, die die
Drehrate des Fahrzeugs um seine Hoch- oder Längsachse
erfassen, müssen hochgenaue Auflösungen von 0,2°/s erreicht
werden. Allgemein besitzen solche Dreh- bzw. Gierratensensoren
eine bewegliche mechanische Struktur, welche eine zu einer
periodischen Schwingung angeregten elektrisch-mechanischen
Wandler aufweist. Erfährt der Sensor eine Drehung um eine
Achse senkrecht zur angeregten Schwingung, so führt die
Bewegung der Schwingung zu einer Coriolis-Kraft, die
proportional zur Messgrösse, d. h. der Winkelgeschwindigkeit, ist.
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Zum Schwingungsschutz insbesondere dieser Sensoren sind
neben den eingangs genannten schwingungsdämpfenden
Kopplungselementen zwischen den die Sensoren aufnehmenden Gehäusen
elastische Dichtungselemente (DE-A1 33 23 624) bekannt, die
zwischen einem Innen- und Außengehäuse angeordnet sind. In
der WO 02/16179 = P9928) sind ebenfalls separate
Dämpfungselemente vorgesehen, die elastisch verformbar sind.
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Die Fahrzeugsensoren bilden zusammen mit ihrem Träger z. B.
das System Gierratensensor/Halteelement, das zur
Fahrstabilitätsregelung, dem Elektronischen Stabilitäts-Programm
(ESP) bzw. Interactive Vehicle Dynamics (IVD) zugehörig ist.
Das Halteelement dient der Befestigung des Gierratensensors
am Einbauort im Fahrzeug.
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Bedingt durch die schwingungstechnischen Eigenschaften des
Systems Gierratensensor/Halteelement und des Einbauortes
sowie aufgrund der zahlreichen im Fahrzeug vorhandenen
Anregungsquellen können Resonanzschwingungen auftreten. Diese
besitzen besonders hohe Schwingungsamplituden in der Nähe
der Eigenfrequenzen des Systems
Gierratensensor/Halteelement.
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Innerhalb des sogenannten Sperrfrequenzbereichs besitzt der
Gierratensensor selbst eine Eigenfrequenz, die aus dem
Funktionsprinzip resultiert.
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Fällt nun diese Eigenfrequenz des Gierratensensors mit einer
Eigenfrequenz des Systems Gierratensensor/Halteelement
zusammen, kann dies im Fahrbetrieb zu einer stark überhöhten
Signalamplitude des Gierratensensors und damit zum
Übersteuern des dem Sensor nachgeschalteten Verstärkers
führen. Hieraus resultiert ein Funktionsstörung oder -ausfall
des ESP-Systems.
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Eine Verbesserung bei einem Einsatz von Gummilagern
resultiert einerseits aus einer Verlagerung der relevanten
Eigenfrequenz der Baugruppe Gierratensensor/Halteelement zu
niedrigen Werten. Anderseits führt die dissipative
Eigenschaft des elastischen Materials zu einer zusätzlichen
Amplitudenreduktion.
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Ein Problem für die Umsetzung der Lösung in der
Massenfertigung bringt der für die Gummilager erforderliche zusätzliche
Bauraum mit sich. Durch die zusätzlichen Bauteile erhöht
sich weiterhin der Montageaufwand ebenso wie der aufwand bei
der Lagerhaltung. Auch spricht eine Änderung der
Materialparameter des Gummis infolge Alterung und Temperatureinfluss
gegen die Anwendung dieser Lösungsvariante.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine
Funktionsstörung oder einen Funktionsausfall der Fahrstabiltätsregelung
(ABS, ASR, ESP u. dgl.) zu vermeiden, ohne dass separate
zusätzliche schwingungsdämpfende Elemente erforderlich sind.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1
gelöst.
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Nach der Erfindung ist ein Halteelement für Fahrzeugsensoren
vorgesehen, das Mittel zum Verbinden mit mindestens einem
Sensor und dem Fahrzeug aufweist. Erfindungsgemäss ist
mindestens im Bereich der Mittel zum Verbinden mit dem Sensor
das Halteelement selbst als Verstimmungselement ausgebildet.
Diese Maßnahme führt zu einer Verschiebung der
Eigenfrequenz. Durch die konstruktive Gestaltung dieser Baugruppe
Sensor/Halteelement, treten innerhalb des
Sperrfrequenzbereiches keine Eigenfrequenzen des Systems Fahrzeugsensor/
Halteelement auf.
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Eine vorteilhafte Ausbildung sieht vor, dass das
Verstimmungselement als definierte, lokale Ausnehmung(en) im
Bereich der Verbindungszone des Sensors mit dem Halteelement
ausgebildet ist. Hierdurch wird einerseits eine einfache
Fertigung und andererseits ein kleines Bauvolumen der
Baugruppe erreicht.
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Um Kippschwingungen z. B. eines Gierratensensors zu
verhindern, ist nach der Erfindung vorgesehen, dass die lokalen
Ausnehmungen symmetrisch um die Mittel angeordnet sind.
Selbstverständlich können die Ausnehmungen auch nicht
symmetrisch angeordnet werden, wenn die Ausbildung des
Halteelements und/oder die Funktion als Verstimmungselement dies
erfordert.
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Nach einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung sind
die Mittel des Halteelements als Durchgangsöffnungen
ausgebildet, durch die lösbare Verbindungsmittel geführt werden,
mittels denen der Sensor mit dem Halteelement, vorzugsweise
mit dem Halteblech, verbunden werden kann. Als
Verbindungsmittel zwischen Halteelement und Sensor dienen Schrauben.
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Vorteilhaft ist bei einem ESP Regler, dem ein Gierraten-
und/oder Beschleunigungssensor zugeordnet ist, ein
Halteelement zum Befestigen mindestens eines Sensors nach einem
der Ansprüche 1 bis 4 vorgesehen.
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Ein Ausführungsbeispiel ist in der Zeichnung dargestellt und
wird im Folgenden näher beschrieben.
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Es zeigen
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Fig. 1 ein erstes Halteelement nach der Erfindung
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Fig. 2 ein zweites Halteelement nach der Erfindung
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Fig. 3 ein Diagramm mit Eigenfrequenzbeeinflussung und
Abbildung der Aussparungsvarianten
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Fig. 4 eine schematische Darstellung des Einbauortes des
Halteelements
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Fig. 5 eine schematische Zeichnung des Halteelements, mit
Dämpfungsblech und Sensoren
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Die Fig. 1 und 2 zeigen exemplarisch zwei
Ausbildungsvarianten eines Halteelements 10, das als Träger eines
gehäusten Gierratensensors 18 und Beschleunigungssensor 11 dient
und in oder an einem Kraftfahrzeug angeordnet ist. Das
Halteelement 10 weist Befestigungsöffnungen 12-14 auf, durch
die lösbare Befestigungsmittel 70, 71 (Fig. 5) geführt
werden. Über das Zusammenwirken der Befestigungsmittel mit der
Karosserie des Fahrzeugs wird das Halteelement 10 in dem
Innenraum befestigt. Ein Befestigungsort des Halteelements 10
kann das Karosserieteil 40 und das Bodenblech 41 des
Fahrzeugs sein. Die geometrische Form des Halteelements ist dem
Einbauort angepasst und wird durch die am Einbauort
herrschenden Bedingungen bestimmt. Das in den Fig. 1 und 2
dargestellte Halteelement weist beispielsweise eine von
einer Deckwand 23 abgewinkelte, nahezu geschlossene Seitenwand
15 auf, die zusammen mit einer stirnseitigen Wand 16 mit
abgewinkeltem Fuß 17 eine definierte Positionierung des
Sensorgehäuses 72 zu den Befestigungsöffnungen 20-21
ermöglicht. Die Wirksamkeit der Verstimmungselemente ist jedoch
nicht an diese Formgebung gebunden, diese ist auch bei einer
deutlich veränderten Gestaltung des Halteelementes
hinsichtlich der Geometrie und Lage der Befestigungspunkte am
Fahrzeug gegeben. Über die im wesentlichen geschlossene Deckwand
23 mit den Befestigungsöffnungen 20, 21 und einem der
Seitenwand 15 zugeordneten Halteclip 74 wird das Sensorgehäuse
72 mit den Sensoren 11, 18 an dem Halteelement 10 mittels
den lösbaren Befestigungselementen 70, 71 befestigt,
vorzugsweise verschraubt. Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform
der Befestigung der Sensoren, wobei der in einem
Sensorgehäuse 72 angeordnete Gierratensensor 18 über einen Träger 73
mit der Deckwand 23 verschraubt wird, während der
Beschleunigungssensor 11 über einen Träger 76 mittels eines
Halteclips 74 befestigt wird. In der Öffnung 19 des Elements 22
werden die nicht näher dargestellten Sensorkabel befestigt.
Der stirnseitigen Wand 16 gegenüberliegend ist ein nach
oben, über die Deckwand 23 ragender, die
Befestigungsöffnungen 12, 13 aufweisender Abschnitt ausgebildet. Bevorzugt ist
das Halteelement 10 als Blechteil ausgebildet, das mit einem
Biegeverfahren hergestellt wird.
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Eine schwingungstechnische Untersuchung konkreter
Problemfälle ließ bei einem Halteelement 10 erkennen, das der
relevanten Eigenfrequenz des Systems
Gierratensensor/Halteelement häufig eine Biegeschwingung des Gierratensensors
relativ zum Halteelement zugeordnet werden kann. Diese
Eigenfrequenz (zwischen 290 bis 350 Hz) wird wesentlich durch die
Biegesteifigkeit des Halteelements 10 im Bereich der
Befestigungspunkte und durch die Biegesteifigkeit des
Sensorgehäuses beeinflusst.
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Untersuchungen, die in Verbindung mit Fig. 3 näher
beschrieben werden zeigen, dass durch eine definierte
Biegesteifigkeitsreduktion in der Verbindungszone 20, 21 des
Systems Gierratensensor 11, 72, 73/Halteblech 10 dieses
selbst als Verstimmungselement ausgebildet werden kann.
Resultierend aus dieser Ausbildung werden Eigenfrequenzen
durch Biegeschwingungen des Gierratensensors 18 relativ zum
Halteblech 10 zu tieferen, außerhalb des Sperrfrequenzbandes
des Gierratensensors 18 gelegenen Werten verschoben.
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Die Verstimmung erfolgt durch definierte, lokale
Aussparungen 30, 31, 32, 33, 34, 35 im wesentlichen im Bereich der
Verbindungszone Gierratensensor/Halteblech des Halteblechs.
Ein Ausführungsbeispiel ist in Fig. 1 dargestellt. Die
Aussparungen 30-35 werden derart ausgeführt, dass bevorzugt
die Befestigungsöffnungen 20, 21 im Deckwandbereich 23 von
einem linear verlaufenden Spalt 31 und zwei im gleichen
Abstand zu jeder Stirnseite des Spaltes 31 verlaufende
viertelkreisförmige Spalte 30, 32 vorgesehen sind, deren sich
ergebende geometrische Form an der freien Seite 50 der
Deckwand 23 zusammenhängend nachgebildet ist. Eine weitere
langlochähnliche Aussparung bzw. Öffnung 51 zwischen den
Befestigungsöffnungen 12, 13 und der Verbindungszone 20-21
verhindert die aus der Verbindungszone 12, 13 resultierende
Ausbreitung der Schwingungen. Die Ausbildung beeinflusst
maßgeblich nur die Biegeschwingung des Gierratensensors um
seine x-Achse. Eine Asymmetrie der Aussparungen ist zu
vermeiden, um Kippschwingungen des Gierratensensors 11 zu
verhindern.
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Fig. 2 zeigt im wesentlichen das gleiche Halteelement. Im
Unterschied zu dem in Fig. 1 dargestellten Halteelement 10weist das Halteelement 60 eine weitere langlochähnliche
Aussparung 61 in einem Bereich parallel zu der Verbindungszone
20, 21 auf.
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Fig. 3 zeigt die Verstimmung in Abhängigkeit von der
Spaltgeometrie und/oder der Anordnung der Aussparungen 30-35 und
51, 61.
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Die Verstimmung der Schwingungen wird durch eine Variation
der Spaltgeometrie an die Grundsteifigkeit unterschiedlicher
Sensorhaltebleche angepasst. Die Massnahme ist daher auf
Halteelemente 10 unterschiedlicher Fahrzeuge anwendbar. Der
empirisch ermittelte Zusammenhang zwischen der
Eigenfrequenzlage und der Geometrie der Verstimungselemente ist in
Abb. 3 exemplarisch für ein Halteblech 10 dargestellt.
Wie Fig. 3 zeigt, ist die Sensoreigenfrequenz über die
Geometrie der Aussparungen 80, 81 im Halteelement derart
beeinflussbar, dass sie nicht im Sperrfrequenzband des
Gierratensensors 18 liegt. Als Quelle der Schwingung wurde das
Befestigungssystem Halteelement/Sensor untersucht. Mit den
beschriebenen Massnahmen können selbstverständlich auch
bidirektionale Schwingungen, die von dem bzw. den Sensoren
ausgehen, verstimmt werden.
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Vorteilhafterweise werden für die Verstimmung der
Biegesteifigkeit keine zusätzlichen Bauteile benötigt
(Kostenreduktion, unveränderter Bauraum, unverändert
einfache Montage). Dies ist ein wesentlicher Vorteil gegenüber
dem Einsatz von elastischen Lagern (z. B. Gummilagern).
Die Ausbildung der Verstimmungselemente kann nachträglich
bei bestehenden Halteelementen 10 angewendet werden. Als
Halteelemente werden dabei auch Träger von elektronischen
Schaltungen, wie Leiterplatten u. dgl. angesehen, wenn die
Fahrzeugsensoren auf diesen Halteelementen angeordnet sind.
Die Verstimmung ist weitgehend unabhängig von
Umgebungseinflüssen (Temperatur, Feuchtigkeit, Alterung) und damit auch
über einen längeren Einsatzzeitraum stabil. Dies ist
beispielsweise ein wesentlicher Vorteil gegenüber dem Einsatz
von elastischen Lagern (z. B. Gummilagern).
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Am Halteblech 10 müssen für die Umsetzung der Maßnahme keine
kostenintensiven, zusätzlichen Veränderungen (z. B.
Verlagerung der Befestigungspunkte, Ergänzung zusätzlicher
Versteifungselemente usw.) vorgenommen werden.
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Da sich die am Halteblech 10 vorzunehmenden Aussparungen
30-35 auf den lokalen Bereich nahe der
Sensorbefestigungsschrauben beschränken, tritt keine relevante Verminderung
der statischen Steifigkeit bzw. der Knickstabilität des
Sensorhalteblechs auf, was für den Einbau des Haltebleches an
relativ ungeschützten Stellen im Fahrzeuginnenraum von
Wichtigkeit ist.
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Sofern erforderlich, kann ein biegeweiches Dämpfungsblech 75
zur Begrenzung der Schwingungsamplitudenerhöhung zwischen
dem Träger 73 bzw. dem Sensorgehäuse 72 und dem Halteelement
10 montiert werden. Hierdurch lässt sich eine wirkungsvolle
Reibungsdämpfung, ohne dass zusätzlicher Bauraum
erforderlich ist, erzielen. Es wird eine Erhöhung der
Energiedissipation erreicht. Die statische Biegesteifigkeit des
Halteelements 10 kann durch das Dämpfungsblech 75 erhöht werden,
da die Aussparungen 30-35 in ihrer Anzahl und/oder der
Spaltgeometrie reduziert werden kann.