DE19651124C1 - Steuervorrichtung für ein Schutzmittel zum Überrollschutz in einem Kraftfahrzeug - Google Patents

Steuervorrichtung für ein Schutzmittel zum Überrollschutz in einem Kraftfahrzeug

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Description

Die Erfindung betrifft eine Steuervorrichtung für ein Schutz­ mittel zum Überrollschutz in einem Kraftfahrzeug. Eine solche Steuervorrichtung weist eine Anordnung zum Erkennen einer Drehbewegung des Kraftfahrzeugs auf. Eine derartige Anordnung soll eine Drehbewegung des Fahrzeugs, insbesondere ein Kippen des Fahrzeugs um seine Fahrzeuglängsachse, erkennen. Bislang werden zur Erkennung solcher Drehbewegungen durchweg Drehbe­ wegungssensoren - auch Drehratensensoren genannt - einge­ setzt. Solche Drehbewegungssensoren sind etwa im Schwerpunkt des Fahrzeugs angeordnet und entsprechend der aufzunehmenden Drehbewegung ausgerichtet. Drehbewegungssensoren können nach unterschiedlichen physikalischen Prinzipien arbeiten.
Drehbewegungssensoren weisen im allgemeinen einen aufwendigen Aufbau auf.
Aus der DE 41 10 374 A1 ist eine Anordnung zum Erkennen einer Drehbewegung eines Kraftfahrzeugs offenbart, die zum Steuern der Fahrdynamik des Kraftfahrzeugs verwendet wird. Diese An­ ordnung weist zwei in einer Ebene quer zur Fahrzeuglängsachse angeordnete lineare Beschleunigungssensoren auf, aus deren Signalen eine Auswerteeinrichtung einer Drehbewegungsgröße ermittelt. Diese Drehbewegungsgröße wird einem Betätigungs­ element zugeführt, das am Fahrzeug angeordnet ist, und das die Drehbewegungsgröße einem Zielwert annähert.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine einfach aufgebaute Steuer­ vorrichtung für ein Schutzmittel zum Überrollschutz in einem Kraftfahrzeug zu schaffen.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des Patentan­ spruchs 1. Die Steuervorrichtung zur Überrollerkennung für ein Kraftfahrzeug weist dabei zwei Beschleunigungssensoren auf, die Beschleunigungssignale liefern und an unterschiedli­ chen Stellen im Fahrzeug angeordnet sind. Eine Auswerteein­ richtung leitet aus den gelieferten Beschleunigungssignalen eine Drehbewegungsgröße ab.
Anstelle eines in seinem Aufbau aufwendigen ausgestalteten Drehbewegungssensors werden einfach aufgebaute, breit verfüg­ bare, billige, und aufgrund ihrer breiten Einsatzgebiete technisch weit fortgebildete Beschleunigungssensoren einge­ setzt. Diese Beschleunigungssensoren sind empfindlich für translatorische Bewegungen.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Un­ teransprüchen gekennzeichnet.
Die Erfindung und ihre Weiterbildungen werden anhand der schematischen Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Kraftfahrzeug von vorne, mit einer symbolisch angedeuteten Kippbewegung,
Fig. 2 ein Kraftfahrzeug von oben, mit erfindungsgemäß an­ geordneten Sensoren zum Erkennen einer Kippbewegung nach Fig. 1,
Fig. 3 ein Kraftfahrzeug in Seitenansicht mit einer symbo­ lisch angedeuteten Nickbewegung,
Fig. 4 ein Kraftfahrzeug von oben mit erfindungsgemäß ange­ ordneten Beschleunigungssensoren zum Erkennen einer Nickbewegung gemäß Fig. 3,
Fig. 5 und 6 ein einer Kippbewegung ausgesetztes symbolisch angedeutetes Fahrzeug, und
Fig. 7 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Anord­ nung.
Gleiche Elemente und Größen sind figurenübergreifend durch die gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
Fig. 1 zeigt ein Kraftfahrzeug von vorne. Durch den kreis­ runden Pfeil wird eine Kippbewegung des Fahrzeugs angedeutet. Das Fahrzeug vollzieht dabei eine Drehbewegung um seine Längsachse, beispielsweise infolge eines Unfalls oder einer Fahrzeugführung auf schiefer Ebene.
Fig. 2 zeigt das Fahrzeug gemäß Fig. 1 mit einer Längsachse A-A' in einer Ansicht von oben. Zwei Beschleunigungssensoren 1 und 2 sind am Fahrzeug angeordnet, einer in der linken Fahrzeughälfte, einer in der rechten Fahrzeughälfte, bezogen auf die Fahrzeuglängsachse A-A'. Jeder Beschleunigungssensor 1 und 2 weist dabei eine Empfindlichkeitsachse in einer Ebene quer zur Fahrzeuglängsachse auf. Bei einer Kippbewegung gemäß Fig. 1 - beispielsweise um die eingezeichnete Längsachse A-A' oder einer parallel zur eingezeichneten Achse A-A' verlau­ fenden Achse, werden von beiden Beschleunigungssensoren 1 und 2 translatorische Beschleunigungen aufgenommen. Alternativ kann einer der Beschleunigungssensoren in etwa in Fahrzeug­ mitte angeordnet sein, wohingegen der andere Beschleunigungs­ sensor in einer Fahrzeughälfte an einem beliebigen Ort ange­ ordnet ist.
Fig. 3 zeigt ein Kraftfahrzeug in Seitenansicht mit einer durch den kreisrunden Pfeil angedeuteten symbolischen Nickbe­ wegung. Das Fahrzeug vollzieht dabei eine Drehbewegung um seine Querachse, beispielsweise infolge eines Unfalls, insbe­ sondere bei der Unterfahrt eines Personenkraftwagens unter das Heck eines Lastkraftwagens, oder aber auch beim Durchfah­ ren einer Fahrbahnunebenheit.
Fig. 4 zeigt das Fahrzeug gemäß Fig. 3 mit einer Querachse B-B' in einer Ansicht von oben. Zwei Beschleunigungssensoren 1 und 2 sind am Fahrzeug angeordnet, einer in der vorderen Hälfte des Fahrzeugs, einer in der hinteren Hälfte des Fahr­ zeugs, bezogen auf die Fahrzeugquerachse B-B'. Jeder Be­ schleunigungssensor 1 und 2 weist dabei eine Empfindlichkeit­ sachse in einer Ebene quer zur Fahrzeugquerachse B-B' auf. Bei einer Nickbewegung des Fahrzeugs gemäß Fig. 3 - bei­ spielsweise um die eingezeichnete Querachse B-B' oder einer parallel zur eingezeichneten Querachse B-B' verlaufenden Ach­ se -, werden von beiden Beschleunigungssensoren 1 und 2 translatorische Beschleunigungen aufgenommen. Alternativ kann einer der Beschleunigungssensoren in etwa in Fahrzeugmitte angeordnet sein, wohingegen der andere Beschleunigungssensor in einer Fahrzeughälfte an einem beliebigen Ort angeordnet ist.
Soll mit der erfindungsgemäßen Anordnung eine Drehbewegung um eine festgelegte Fahrzeugachse - eben die Drehachse - erkannt werden, so werden zwei Beschleunigungssensoren beliebig im oder am Fahrzeug angeordnet, solange sie nicht auf einer ge­ meinsamen Achse parallel zur Drehachse angeordnet sind. Jeder Beschleunigungssensor nimmt dabei eine geradlinige Beschleu­ nigung auf, wobei seine Empfindlichkeitsachse in der Ebene quer zur Drehachse ausgerichtet ist.
Die Beschleunigungssensoren 1 und 2 gemäß Fig. 2 zum Erken­ nen einer Drehbewegung des Fahrzeugs um seine Längsachse sind vorzugsweise nur für quer auf das Fahrzeug einwirkende Be­ schleunigungen - also Beschleunigungen die parallel zur Fahr­ zeugquerachse B-B' auf das Fahrzeug einwirken - empfindlich. Alternativ sind beispielsweise die Beschleunigungssensoren 1 und 2 gemäß Fig. 2 nur für vertikal auf das Fahrzeug einwir­ kende Beschleunigungen - also für Beschleunigungen parallel zur Fahrzeughochachse des Fahrzeugs - empfindlich. Zum Ablei­ ten einer Drehbewegungsgröße um die Fahrzeuglängsachse aus den von den Beschleunigungssensoren 1 und 2 gelieferten Be­ schleunigungssignalen kann aber auch der erste Beschleuni­ gungssensor 1 beispielsweise für eine quer auf das Fahrzeug einwirkende Beschleunigung empfindlich sein, der zweite Be­ schleunigungssensor 2 jedoch für eine vertikal auf das Fahr­ zeug einwirkende Beschleunigung.
Fig. 5 zeigt ein symbolisch angedeutetes Fahrzeug FZ im Querschnitt, das infolge einer Drehbewegung um seine in die Zeichenebene gerichtete Längsachse einen Drehwinkel ϕ zur Fahrbahn FB aufweist. Die Drehbewegung vollzieht sich insbe­ sondere um den Drehpunkt X bzw. die zur Fahrzeuglängsachse parallele Drehachse X. Am Fahrzeug FZ sind drei Beschleuni­ gungssensoren 1, 2 und 3 angeordnet. Jeder Beschleunigungs­ sensor 1, 2 und 3 ist empfindlich für vertikal auf das Fahr­ zeug einwirkende Beschleunigungen. Die Empfindlichkeitsachsen der Beschleunigungssensoren 1, 2 oder 3 sind durch Pfeile symbolisch gekennzeichnet. Die Beschleunigungssensoren 1, 2 und 3 liefern Beschleunigungssignale aZ1, aZ2 und aZ3, wobei die Beschleunigungssignale aZ1, aZ2 und aZ3 die Beschleunigung in ihren Empfindlichkeitsachsen am jeweiligen Sensoreinbauort wiedergeben. Die Beschleunigungssignale aZ1, aZ2 und aZ3 werden an eine Auswerteeinrichtung 4 geliefert (siehe Fig. 7). Die Auswerteeinrichtung 4 ist vorzugsweise zentral im Fahrzeug angeordnet. In der Auswerteeinrichtung 4 wird insbesondere aus den Beschleunigungssignalen aZ1 und aZ2 der randseitig an­ geordneten Beschleunigungssensoren 1 und 2 eine Drehbewe­ gungsgröße ϕ, ω oder α abgeleitet. Die Drehbewegungsgröße kann beispielsweise der Drehwinkel ϕ, die Winkelgeschwindig­ keit ω oder die Winkelbeschleunigung α des Fahrzeugs sein.
Bei der in Fig. 5 angedeuteten Drehbewegung des Fahrzeugs um seine Längsachse liefert jeder Beschleunigungssensor 1, 2 und 3 eine symbolisch eingezeichnete Beschleunigung aZ, die sich aus zwei Anteilen zusammensetzt. Der erste Beschleunigungsan­ teil ist bestimmt durch die durch die Drehbewegung verursach­ te Tangentialbeschleunigung aZ, der zweite Beschleunigungsan­ teil durch die auf das Fahrzeug einwirkende Erdbeschleunigung ag0, jeweils am Einbauort des Sensors. Ein für vertikal ein­ wirkende Beschleunigungen empfindlicher Beschleunigungssensor 1, 2 oder 3 gemäß Fig. 5 liefert also:
aZ = aT + cosϕ.ag0 (1a)
mit
aT = α.r
Der Anteil der aufgenommenen Erdbeschleunigung ag0 ergibt sich dabei aus der Erdbeschleunigung ag0 multipliziert mit dem Kosinus des Drehwinkels ϕ. Die Tangentialkomponente aT der Drehbewegung setzt sich multiplikativ aus der Winkelbe­ schleunigung α und dem Abstand r des Beschleunigungssensors zum Drehpunkt X zusammen. Die von den Beschleunigungssensoren 1 und 2 gelieferten Beschleunigungssignale aZ1 und aZ2 ergeben sich damit wie folgt:
aZ1 = α.r1 - ag0cosϕ (2a)
aZ2 = a.r2 - ag0cosϕ (3a)
mit dr = r2 - r1 mit r1 als Abstand zwischen dem ersten Be­ schleunigungssensor 1 und dem Drehpunkt X und r2 als Abstand zwischen dem zweiten Beschleunigungssensor 2 und dem Dreh­ punkt X.
Werden die Gleichungen (2) und (3) voneinander abgezogen, so folgt:
aZ2 = αdr + aZ1 - 2ag0cosϕ (4a)
mit dr als bekanntem Abstand zwischen den Beschleunigungssen­ soren 1 und 2.
Mit den allgemein gültigen Zusammenhängen zwischen den Dreh­ bewegungsgrößen Drehwinkel ϕ, Winkelgeschwindigkeit ω und Winkelbeschleunigung α:
ω = ∫ αdt, ϕ = 2.∫ αdt,
kann die Differenzialgleichung nach einer der Drehbewegungs­ größen ϕ, ω oder α aufgelöst werden. Alle sonstigen Größen der Differentialgleichung wie die Erdbeschleunigung ag0 und der Abstand dr zwischen den Beschleunigungssensoren 1 und 2 sind bekannt oder werden in Form der Beschleunigungssignale aZ1 und aZ2 von den Beschleunigungssensoren 1 und 2 geliefert. Durch Einsetzen der ermittelten Drehbewegungsgröße ϕ, ω oder α in die Gleichung (2a) bzw. (3a) kann der Drehpunkt X indi­ rekt über die Abstände r1 und r2 der Beschleunigungssensoren 1 und 2 vom Drehpunkt X ermittelt werden.
Fig. 6 zeigt gleichfalls ein einer Drehbewegung unterworfe­ nes Fahrzeug FZ, das bereits um einen Drehwinkel ϕ bezüglich der in die Zeichenebene gerichteten Drehachse X gekippt ist. Beschleunigungssensoren 1, 2 und 3 sind gemäß Fig. 5 ange­ ordnet, weisen nun aber eine symbolisch eingezeichnete Emp­ findlichkeit für quer auf das Fahrzeug einwirkende Beschleu­ nigungen auf. Die Beschleunigungssensoren 1, 2 und 3 liefern die Beschleunigungssignale aY, aY2 und aY3.
Analog zur Anordnung gemäß Fig. 5 setzt sich gemäß Fig. 6 das von einem Beschleunigungssensor 1, 2 oder 3 aufgenommene Beschleunigungssignal aY aus zwei Komponenten zusammen, ei­ ner Radialbeschleunigung aR, die alleine durch die auf das Fahrzeug einwirkende Drehbewegung bestimmt ist sowie der Erd­ beschleunigung ag0. Die Erdbeschleunigung ag0 geht nun mit dem Sinus des Drehwinkels ϕ in das gelieferte Beschleunigungs­ signal aY ein. Die Komponente der Radialbeschleunigung aR er­ gibt sich aus der quadrierten Winkelgeschwindigkeit ω multi­ pliziert mit dem Abstand r des Beschleunigungssensors vom Drehpunkt X, so daß ein derart angeordneter Beschleunigungs­ sensor eine Beschleunigung aY gemäß folgender Gleichung lie­ fert:
aY = ar + sinϕ.ag0 (1b)
mit
ar = ω2r
Für die Beschleunigungssensoren 1 und 2 ergibt sich
aY1 = ω2r1 + ag0sinϕ (2b)
aY2 = ω2r1 + ag0sinϕ (3b)
mit dr = r2 - r1
Auch hier ist der Abstand dr zwischen den Beschleunigungssen­ soren 1 und 2 bekannt, so daß sich durch Subtraktion der Gleichung (3b) von der Gleichung (2b) folgende Differential­ gleichung ergibt
aY2 = ω2dr + aY1 - 2ag0sinϕ (4b)
Mit vorgenannter Beziehung zwischen den Drehbewegungsgrößen ϕ, ω und α ist eine der Drehbewegungsgrößen ϕ, ω und α aus der Gleichung (4b) ableitbar. Durch Einsetzen der ermittelten Drehbewegungsgröße ϕ, ω und α in eine der Gleichungen (2b) oder (3b) kann der Drehpunkt X des Fahrzeugs ermittelt wer­ den.
Es ist vorteilhaft, die ermittelte Drehbewegungsgröße ϕ, ω oder α zu überprüfen und damit fehlerhaft arbeitende Be­ schleunigungssensoren oder defekte Zuleitungen erkennen zu können. Insbesondere bei sicherheitskritischen Anwendungen der Anordnung im Fahrzeug wie dem Insassenschutz ist eine Überprüfung der ermittelten Drehbewegungsgröße ϕ, ω oder α erforderlich, um ein von der Drehbewegungsgröße ϕ, ω oder α abhängiges Auslösen eines Schutzmittels bei einem Unfall ge­ währleisten und gleichzeitig ein Fehlauslösen des Schutzmit­ tels aufgrund fehlerhafter Komponenten der Anordnung vermei­ den zu können. Dazu wird vorzugsweise ein dritter Beschleuni­ gungssensor 3 an einer weiteren Stelle im Fahrzeug angeord­ net. Die weitere Stelle unterscheidet sich von den Einbauor­ ten der ersten beiden Beschleunigungssensoren 1 und 2, wobei keine der Beschleunigungssensoren 1, 2 oder 3 auf einer ge­ meinsamen Achse parallel zur Drehachse angeordnet sind.
Gemäß der Fig. 5 und 6 liefert der dritte Beschleunigungs­ sensor 3 das Beschleunigungssignal aZ3 bzw. aY3, im folgenden a3. Die ermittelte Drehbewegungsgröße ϕ, ω oder α kann bei­ spielsweise dadurch überprüft werden, daß eine weitere Dreh­ bewegungsgröße ϕ', ω' oder α' aus einer anderen Kombination von Beschleunigungssignalen als die Drehbewegungsgröße ϕ, ω oder α ermittelt wird, beispielsweise aus den Beschleuni­ gungssignalen a1 und a3 oder den Beschleunigungssignalen a2 und a3. Stimmt diese zur Überprüfung ermittelte weitere Dreh­ bewegungsgröße ϕ', ω' oder α' nicht mit der eigentlichen er­ mittelten Drehbewegungsgröße ϕ, ω oder α in etwa - also unter Berücksichtigung einer angemessenen Toleranz - überein, so weist die Anordnung einen Fehler auf. Wird ein Fehler er­ kannt, so wird von der Auswerteeinrichtung 4 ein Störfallsi­ gnal s erzeugt, das beispielsweise den Fahrer auf einen der­ artigen Fehler optisch 5 oder akustisch 6 hinweisen kann (Fig. 7). Als Schutzfunktion kann beispielsweise auch aus den Beschleunigungssignalen a1 und a2 der ersten beiden Be­ schleunigungssensoren 1 und 2 ein Beschleunigungssignal a3' für den dritten Beschleunigungssensor 3 berechnet werden und das berechnete Beschleunigungssignal a3' mit dem durch den dritten Beschleunigungssensor 3 gemessenen Beschleunigungs­ signal a3 verglichen werden, wobei ebenfalls ein Störfallsi­ gnal abgegeben wird, wenn berechneter und gemessener Wert a3' und a3 erheblich voneinander abweichen.
Vorzugsweise wird die Anordnung innerhalb einer Steuervor­ richtung zum Insassenschutz und hierbei insbesondere zum Überrollschutz eingesetzt. Abhängig von der durch die erfin­ dungsgemäße Anordnung ermittelten Drehbewegungsgröße ϕ, ω oder α wird ein Überrollschutzmittel 5 wie beispielsweise ein Überrollbügel, ein Kopfairbag oder gegebenenfalls auch ein Seitenairbag gesteuert. Wird die ermittelten Drehbewegungs­ größe ϕ, ω oder α mit Hilfe des Beschleunigungssignals a3 des dritten Beschleunigungssensors 3 überprüft, so wird bei einem erkannten Fehler durch das Störfallsignal s vorzugsweise ein Auslösen des Schutzmittels 5 durch das Steuersignal a verhin­ dert (Fig. 7).
Die Verwendung der erfindungsgemäßen Anordnung in einer Steu­ ervorrichtung für ein Schutzmittel zum Überrollschutz in ei­ nem Kraftfahrzeug ist insbesondere deshalb vorteilhaft, da das Kraftfahrzeug zur Front- oder Seitenaufprallerkennung be­ reits diverse Beschleunigungssensoren aufweist. Beschleuni­ gungssensoren können deshalb gleichzeitig zur Front- und Sei­ tenaufprallerkennung und auch zur Überrollerkennung verwendet werden. Das Schutzmittel zum Überrollschutz wird dabei in Ab­ hängigkeit von der ermittelten Drehbewegungsgröße und gegebe­ nenfalls in Abhängigkeit von dem ermittelten Drehpunkt bezie­ hungsweise der ermittelten Drehachse gesteuert, so daß von der Auswerteeinrichtung 4 ein Steuersignal a abgegeben wird, durch das das Schutzmittel 5 nicht ausgelöst wird, wenn die ermittelte Drehbewegungsgröße unter einem festgelegten Schwellwert bleibt, das Schutzmittel jedoch ausgelöst wird, wenn die ermittelte Drehbewegungsgröße den Schwellwert über­ steigt.
Die erfindungsgemäße Anordnung kann vorteilhaft in einer Fahrdynamiksteuerung verwendet werden.

Claims (10)

1. Steuervorrichtung für ein Schutzmittel zum Überrollschutz in einem Kraftfahrzeug
  • - mit zwei Beschleunigungssensoren (1, 2), die Beschleuni­ gungssignale (a1, a2) liefern, die an unterschiedlichen Stellen im Fahrzeug angeordnet sind, und von denen jeder Beschleunigungssensor (1, 2) eine Empfindlichkeitsachse für eine Beschleunigung in einer Ebene quer zur Fahrzeuglängs­ achse (A-A') aufweist, und
  • - mit einer Auswerteeinrichtung (4), die eine durch die Be­ schleunigungssignale (a1, a2) bestimmte Drehbewegungsgröße (ϕ, ω, α) liefert,
  • - bei der das Schutzmittel in Abhängigkeit von der ermittel­ ten Drehbewegungsgröße (ϕ, ω, α) gesteuert wird.
2. Steuervorrichtung nach Anspruch 1, bei der je ein Be­ schleunigungssensor (1, 2) in einer Fahrzeughälfte bezogen auf die Fahrzeuglängsachse (A-A') angeordnet ist.
3. Steuervorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Beschleuni­ gungssensoren (1, 2) für eine quer auf das Fahrzeug einwirken­ de Beschleunigung empfindlich sind.
4. Steuervorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Beschleuni­ gungssensoren (1, 2) für eine vertikal auf das Fahrzeug ein­ wirkende Beschleunigung empfindlich sind.
5. Steuervorrichtung nach Anspruch 1, bei der ein dritter Be­ schleunigungssensor (3) an einer weiteren Stelle im Fahrzeug angeordnet ist, und bei der das von dem dritten Beschleuni­ gungssensor (3) gelieferte Beschleunigungssignal (a3) in der Auswerteeinrichtung (4) ausgewertet wird.
6. Steuervorrichtung nach den Ansprüchen 3 und 5, bei der der dritte Beschleunigungssensor (3) für eine quer auf das Fahr­ zeug einwirkende Beschleunigung empfindlich ist.
7. Steuervorrichtung nach den Ansprüchen 4 und 5, bei der der dritte Beschleunigungssensor (3) für eine vertikal auf das Fahrzeug einwirkende Beschleunigung empfindlich ist.
8. Steuervorrichtung nach Anspruch 1, bei der in der Auswer­ tevorrichtung (4) in Abhängigkeit von den Beschleunigungs­ signalen (a1, a2) ein Drehpunkt (X) abgeleitet wird.
9. Steuervorrichtung nach Anspruch 5, bei der in der Auswer­ teeinrichtung (4) die Drehbewegungsgröße (ϕ, ω, α) unter Ver­ wendung des dritten Beschleunigungssignals (a3) überprüft wird, und bei der von der Auswerteeinrichtung (4) ein Stör­ fallsignal erzeugt wird, wenn die Drehbewegungsgröße (ϕ, ω, α) nicht durch das dritte Beschleunigungssignal (a3) bestätigt wird.
10. Steuervorrichtung nach Anspruch 9, bei der durch das Störfallsignal ein Auslösen des Schutzmittels verhindert wird.
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