DE19807918A1

DE19807918A1 - Sensor zur richtungsunabhängigen Ermittlung von Beschleunigungs- und Fliehkräften

Info

Publication number: DE19807918A1
Application number: DE1998107918
Authority: DE
Inventors: Jakob; Frankl
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-02-25
Filing date: 1998-02-25
Publication date: 1999-09-09

Description

Auf Fahrzeuge wirken beim Anfahren und Bremsen Beschleunigungskräfte. Bei Kurven- und Schleuderfahrten treten Fliehkräfte auf.

Zur Ermittlung dieser Kräfte sind am Markt verschiedene Sensoren erhältlich. Bremskräfte werden meist mit trägen Massen, die über ein mechanisches Hebelsystem ein Potentiometer verändern, gemessen. Auch Dehnungsmeßstreifen, die auf einer Blattfeder mit Massekörper angebracht sind, kommen zum Einsatz. Diese Sensoren werten Kräfte nur in eine Richtung aus. Andere Sensoren haben eine Schaltfunktion, die bei einer bestimmten Krafteinwirkung einen elektrischen Schaltkontakt schließen.

Der in Bild 1 gezeigte Sensor ist richtungsunabhängig und reagiert auf Krafteinwirkungen von allen Seiten. Es wird eine Spannung, die proportional zur einwirkenden Kraft ist, ausgegeben.

1. Sensor zur Ermittlung von Beschleunigungs- und Fliehkräften

Mit Hilfe des Sensors lassen sich Beschleunigungs- und Fliehkräfte, wie sie bei Geschwin digkeitsänderungen und Kurvenfahrten von Fahrzeugen auftreten, richtungsunabhängig erfassen. Die Funktion wird am besten an einem praktischen Beispiel erklärt.

Wird ein Fahrzeug gebremst, tritt eine starke Geschwindigkeitsänderung auf. Dabei wirken Masseträgheitskräfte in Fahrtrichtung. Die auftretende Bremskraft wird mit Hilfe des Sensors ermittelt und als Spannungspegel ausgegeben. Dieser kann über eine Auswert elektronik direkt angezeigt werden. Bei einer Bremsung ist es nun möglich, je nach Härte des Bremsmanövers, z. B. verschiedene Beleuchtungen am Fahrzeugheck einzuschalten oder ein als Lichtbalken konstruiertes Bremslicht verschieden weit auszusteuern. Der nach folgende Fahrer kann nun erkennen, wie stark der Vordermann seine Geschwindigkeit verzögert.

Der Sensor wirkt richtungsunabhängig nach allen Seiten. Bewegungsänderungen nach oben und unten, wie sie bei Bodenwellen auftreten, werden bewußt nicht registriert. Ein in einem Fahrzeug angebrachter Sensor erkennt auch Geschwindigkeitsänderungen in eine seitliche Richtung, wie sie bei Kurvenfahrten auftreten. Dadurch können z. B. bei Schleuderfahrten zusätzliche Warnlichter eingeschaltet werden.

2. Sensor nach Patentanspruch 1 mit zusätzlicher Erkennung der Richtung und Größe einer Geschwindigkeitsänderung

Der Sensor registriert die Größe und die Richtung einer Geschwindigkeitsänderung. Wird der Sensor im Schwerpunkt eines Fahrzeuges angebracht, läßt sich z. B. bei Kurvenfahrten die Größe und die Richtung der Fliehkraft bestimmen. Es ist nun möglich, das Fahrwerk elektro nisch auf diese Situation abzustimmen. Eine weitere mögliche Anwendung wäre auch eine Black-Box für Kraftfahrzeuge, wie sie in Flugzeugen Verwendung findet. In einem Rechner werden Fahrinformationen vom Sensor und Tachometer sowie die Uhrzeit gespeichert. Alte Informationen werden nach einer bestimmten Zeitdauer wieder gelöscht und neue kommen hinzu. Nach einem Unfall können die Daten, die Aufschluß über den Unfallhergang geben, ausgelesen werden.

Ausführung Sensor nach Patentanspruch 1

Der in Bild 1 gezeigte Sensor ist richtungsunabhängig und reagiert auf Krafteinwirkungen von allen Seiten. Es wird eine Spannung, die proportional der Beschleunigungs- bzw. der Fliehkraft ist, ausgegeben.

Das Prinzip des Sensors beruht auf der Trägheit von bewegten Massen. Eine Massekugel (1) aus Metall hängt befestigt an einem Federstab (2), in einem aus Isolierwerkstoff gefertigten Zylinder (3). Der Federstab verhindert die Bewegungen in axialer Richtung, die bei Boden wellen auftreten. Drei, im Winkel von 120° versetzte vorgespannte Federn (5) fixieren die Kugel in der Zylindermitte. Diese Federn verhindern zusätzlich das Aufschaukeln der Kugel durch Resonanzschwingungen. In der axialen Mitte des Federstabes (2), am unteren Ende der Massekugel, befindet sich eine Lichtquelle (6), die nach unten abstrahlt. Die Strom zuführung für die Lichtquelle erfolgt zum einen über den Federstab (2); der zweite elek trische Stromkontakt für die Lichtquelle führt vom inneren Kontaktring (4) über die Zugfe dern (5) zum äußeren Kontaktring (4).

Am Boden des Zylinders befindet sich in der Mitte ein Photoelement (7) (Photodiode; Solarzelle) mit großflächiger und runder Photozelle. Zwischen der Lichtquelle und dem Photoelement liegt eine Blende (Lochblende oder Dunkelfeldblende) (8). Siehe hierzu Bild 2. Mit Hilfe des Schiebers (9), der sich längs des Federstabes bewegen läßt, ist eine Fein abstimmung der Kraftempfindlichkeit des Sensors möglich.

Funktionsweise des Sensors zur Ermittlung von Geschwindigkeitsänderungen

Der Sensor wird z. B. in senkrechter Lage mit dem Rahmen des Kraftfahrzeuges mechanisch fest verbunden. Bewegt sich das Fahrzeug mit konstanter Geschwindigkeit, bleibt die Massekugel in der Zylindermitte. Wird das Fahrzeug abgebremst, übt die Massekugel eine Kraft in Fahrtrichtung aus, die die Federkraft des Federstabes und der Zugfedern überwindet und die Kugel je nach Bremskraft unterschiedlich weit aus der Zylindermitte bewegt. Die Lichtquelle wird somit auch von der gegenüberliegenden Photozelle wegbewegt und der Lichteinfall durch die Lochblende auf die Photozelle wird gemindert. Siehe hierzu Bild 4, das schematisch den Lichteinfall der Lichtquelle auf das Photoelement im Ruhezustand und im ausgelenkten Zustand zeigt. Bei geringerem Lichteinfall ändert das Photoelement seine elektrischen Werte. Mit der Größe der Lochblende und dem Abstand von Lichtquelle zu Blende und Blende zu Photoelement kann die Empfindlichkeit, und somit das Ansprech verhalten des Sensors, beeinflußt werden.

Mit Hilfe des Schiebers läßt sich die Kraftempfindlichkeit einstellen. Die Bemessung der Federkräfte und der zu erwartenden Masseträgheitskräfte zeigt das Berechnungsbeispiel auf Seite 5 und 6.

Sensor nach Patentanspruch 2

Der Sensor erkennt die Größe und die Richtung der Krafteinwirkung.

Es werden vier Photoelemente, die um 90° versetzt sind, kreisförmig am Boden angebracht. Eine Dunkelfeld- oder Lochblende ist mittig und zentrisch zwischen Lichtquelle und den Photoelementen angebracht. Siehe Bild 3.

Bei Sensoren, die erst ab einer bestimmten auftretenden Beschleunigungskraft ansprechen sollen, werden die Photoelemente im Ruhezustand ganz abgedeckt (Dunkelfeldblende) bzw. ganz beleuchtet (Lochblende). Bei empfindlichen Sensoren befinden sich die Photozellen zur Hälfte im Lichtschatten um schon bei kleinsten Krafteinwirkungen eine Spannungsänderung zu erzielen. Somit ist der Sensor auch als Neigungssensor einsetzbar. Als Photoelemente eignen sich hierbei besonders großflächige Photodioden oder Solarzellen, da diese eine größere lichtempfindliche Fläche haben. Somit ist ein möglichst linearer Zusammenhang zwischen Auslenkkraft und beleuchteter Fläche der Photozelle herstellbar. Zudem können die gegenüberliegenden Photozellen durch eine geeignete Beschaltung zur Linearisierung der Bremskraft-Spannungskennlinie verwendet werden.

Funktionsweise

Wird die Massekugel aus der Mitte bewegt, fällt auf das näherliegende Photoelement mehr Licht. Das gegenüberliegende Element taucht weiter in den Lichtschatten ein. Siehe Bild 5. Von den Photoelementen werden entsprechende Spannungen ausgegeben. Eine Auswert elektronik bestimmt die Richtung und die Stärke der einwirkenden Kraft.

Bild 6 zeigt ein Beispiel zur Anwendung des Sensors. Der Sensor wird im Fahrzeugschwer punkt so angebracht, daß jedes einzelne Photoelement zu einem Rad weist. Die elektrische Beschaltung zeigt eine einfache Auswertung. Hierbei werden die abgegebenen elektrischen Spannungen der Photodioden D1, D2, D3 und D4 verstärkt und können direkt den Kraftein wirkungen auf die einzelnen Räder zugeordnet werden. Diese Spannungen können über eine Regelung das Fahrwerk stabilisieren. Zusätzlich werden über Addierstufen die Kraftein wirkungen in seitliche und in Fahrtrichtung wirkende Kräfte aufgeteilt. Diese werden auch als Spannungspegel ausgegeben. Durch die Aufteilung in Teilkräfte, die in einem rechten Winkel zueinander stehen, läßt sich die Richtung und die Größe der Gesamtkraft rechnerisch ermitteln.

Spannungsbezeichnung aus Bild 6:
Gesamtkraft Gesamtspannung = [(U1 + U4)² + (U1 + U2)²]^½
Winkel der Krafteinwirkung α = arctan [(U1 + U4)/(U1 + U2)]

Bezugszeichenliste Bild 1

1

Metallkugel mit Masse m

2

Federstab mit Federkonstante D1 (zugleich Stromzuführung für Lichtquelle L1)

3

Zylindergehäuse aus Kunststoff (Isolierwerkstoff)

4

innerer und äußerer Kontaktring (zugleich Stromzuführung für Lichtquelle L1)

5

3 × Zugfeder mit Federkonstante D2 (zugleich Stromzuführung für Lichtquelle L1)

6

Lichtquelle L1 (LED) in Isolierhalterung

9

Schieber zur Feineinstellung der Federkraft

Baugruppe I

7

Photozelle PH1 (Photodiode oder Solarzelle)

8

Lochblende

Bild 2

7

Photodiode mit großflächigen, runden Fenster (z. B. BPW34 Siemens)

8

Lochblende

10

Platine für Elektronikteile

Bild 3

7

4 × Photodiode mit großflächigen, runden Fenster z. B. 4 × BPW34 Siemens

8

Dunkelfeldblende

10

Platine für Elektronikteile

Berechnungsbeispiel der Federkräfte des Beschleunigungskraftsensors

Ein Fahrzeug wird durch eine starke Bremsung in 3 Sekunden von 100 km/h auf 0 km/h gebremst. Bei dieser Bremskraft soll sich die Massekugel um s = 3 mm aus der Mitte bewe gen.

Bestimmung der Kugelmasse:
Durchmesser ∅ = 20 mm
Dichte ρ = 8 g/cm³
Masse = Volumen.Dichte
m = (Π/6).d³.ρ = (Π/6).2³ cm².8 (g/cm³) = 33.5 g.

Auftretende Kraft bei Verzögerung:
Kraft = Masse.Beschleunigung (bzw. Verzögerung)
F = m.g
Beschleunigung = Geschwindigkeitsänderung/benötigte Zeit
g = (v2 - v1)/t wobei v1 = 0 km/h
F = m.v2/t; 100 km/h ≘ 27.8 m/s
F = 0.0335 kg.27.8(m/s)/3 s = 0.31 kg m/s² = 0.31 N.

Ein Teil der Kraft wird vom Federstab aufgenommen, der andere Teil ent fällt auf die Zugfedern.

Kraft auf Federstab: gezogene Federstäbe Kl. C nach DIN 17 223 Bl.1 werden hauptsächlich 0,1 mm im Durchmesser gestuft geliefert. Es wird ein Federstab mit einem Durchmesser von 0.7 mm gewählt. Die Länge (siehe Bild 1) des Federstabes beträgt 50 mm. Diese Länge kann mit Hilfe des Schiebers verändert werden.
Durchmesser: d = 0.7 mm
Länge: 1 = 50 mm
Elastizitätsmodul. E = 210 000 N/mm
Federkonstante: c = ? N/mm
Kraft Stabfeder: F_S = ? N
c = (3.Π.E.d⁴)/(64.L1³)
c = (3.Π.210 000(N/mm).0.7⁴mm⁴)/(64.50³mm³) = 0.06 N/mm
F_S = c.s = 0.06(N/mm).3 mm = 0.18 N
Kraft für Zugfedern = Gesamtkraft - Kraft von Federstab
F_Z = F - F_S = 0.31 N - 0.18 N = 0.13 N.

Durch die Dreipunktaufhängung der Zugfedern ist die Kraftauslenkung in jeder Richtung gleich. Es genügt daher, nur einen Anwendungsfall zu berechnen. Jede Feder muß mehr als die maximale Auslenkmöglichkeit vorgespannt sein. Zur Erläuterung wird für die tech nischen Daten eine Feder der Firma Gutekunst (Gutekunst, Federnfabrik *Carl-Zeiss-Str. 15*72555Metzingen) mit der Bezeichnung RZ-006D ge wählt.

Federdaten:
Durchmesser außen 4.2 mm
Federlänge Ösen innen: 12.4 mm
max. Federweg: 49.5 mm
Federkonstante c: 0.022 N/mm
Zur weiteren Berechnung siehe Bild 7, das die Kräfteaufteilung und die Längenänderungen der Zugfedern ((5) in Bild 1) zeigt.

Ohne Krafteinwirkung:
Federvorspannweg: b = 10 mm
Federlänge + b: L₁₁ = L₂₁ = L₃₁
Kraftwinkel: α₂₁ = α₃₁ = 60°
L_X = L₂₁.cos α₂₁ = (12.4 mm + 10 mm).cos 60° = 11.2 mm
L_Y = L₂₁.sin α₂₁ = 19.34 mm
F₁₁ = F₂₁ =F₃₁ = c.b = 0.022 N/mm.10 = 0.22 N
mit Krafteinwirkung in Kraftrichtung
F₁₂ Kraftauslenkung s = 3 mm
α₂₂ = α₃₂ = arctan(L_Y/(L_X + 3 mm)
α₂₂ = α₃₂ = arctan(19.34 mm/14.2 mm) = 53.7°
L₂₂ = L₃₂ = L_Y/sin 53.7° = 19.34 mm/sin 53.7° = 24 mm
F₁₂ = c.(b-s) = 0.022 N/mm.(10 mm - 3 mm) = 0.154 N
F₂₂ = F₃₂ = c.(L₂₂ - 12.4 mm) = 0.022 N/mm.11.6 mm = 0.255 N
F_S = F₂₂.cos α₂₂ + F₃₂.cos α₃₂ - F₁₂
F_S = 0,255 N.cos 53.7° + 0.255 N.cos 53.7° - 0.154 N = 0.15 N.

Mit den gewählten Federn und einer Federvorspannung von 10 mm werden von den Zugfedern bei einer Auslenkung von 3 mm 0.15 N an Kraft entgegenwirken. Die unterschiedliche Länge l zwischen Massekugel und Zugfederbefestigung werden bei der Berechnung nicht berücksichtigt. Dieser Wert ist hinreichend genau für die gewünschten 0.13 N da der Rest mit dem Schieber eingestellt werden kann. Zudem kann noch konstruktiv die Federvorspannungen geändert werden. Es wird noch berechnet, welche Kraft bei maximaler Auslenkung s = 8 mm auftritt.

Berechnung mit s = 8 mm
α₂₂ = α₃₂ = arctan(L_Y/(L_X + 8 mm) = arctan(19.34 mm/19.2 mm) = 45.2°
L₂₂ = L₃₂ = L_Y/sin 45.2° = 19.34 mm/sin 45.2° = 27.26 mm
F₁₂ = c.(b-s) = 0.022 N/mm.(10 mm - 8 mm) = 0.044 N
F₂₂ = F₃₂ = c.(L₂₂ - 12.4 mm) = 0.022 N/mm.14.86 mm = 0.33 N
F_S = F₂₂.cos α₂₂ + F₃₂.cos α₃₂ - F₁₂
F_S = 0.33 N.cos 45.2° + 0.33 N.cos 45.2° - 0.044 N = 0.42 N
F_Z = 0.06 N/mm.8 mm = 0.48 N
F = F_S + F_Z = 0.42 N + 0.48 N = 0.9 N.

Diese Kraft tritt auf, wenn das Fahrzeug von 100 km/h in 1 s auf 0 km/h abgebremst wird.

Claims

1. Sensor zur richtungsunabhängigen Ermittlung von Beschleunigungskräften und Fliehkräften ist dadurch gekennzeichnet, daß Beschleunigungs- und Fliehkräfte richtungsunabhängig erfaßt werden und die Größe der Kraft als Spannungsänderung ausgegeben wird. Kräfte nach oben oder unten werden bewußt nicht registriert.

2. Sensor nach Patentanspruch 1 ist dadurch gekennzeichnet, daß auch die Richtung und die Größe von Beschleunigungs- und Fliehkräften ermittelt werden.