DE19811613A1 - Anordnung eines Sensors in einem Fahrzeug - Google Patents
Anordnung eines Sensors in einem FahrzeugInfo
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Abstract
Zur Lagerung eines Sensors (1) für die Ermittlung des Gierverhaltens eines Fahrzeuges ist eine Grundplatte (2) vorgesehen, die über hochdämpfende Gummielemente (3a, 3b) mit der Karosserie (4) des Fahrzeuges verbunden ist. Die Lagerung bildet einen mechanischen Filter, der den Sensor (1) gegenüber hochfrequenten Schwingungen der Fahrzeugkarosserie (4) isoliert. Hierdurch wird vor allem in dem für die Funktion des Sensors (1) kritischen Frequenzbereich (f¶krit¶) eine Reduzierung des Schwingpegels erreicht.
Description
Die Erfindung betrifft eine Anordnung eines Sensors in einem Fahrzeug.
Zur Ermittlung des Gierverhaltens eines Kraftfahrzeuges wird in serienmäßig her
gestellten Fahrzeugen der Anmelderin ein Sensor mit einem piezoelektrischen Ele
ment verwendet. Der bekannte Sensor für ein Fahrzeug-Stabilitäts-Regelungssy
stem arbeitet auch bei hohen karosserieseitigen Beschleunigungen störungsfrei, ist
jedoch durch das piezoelektrische Funktionsprinzip teuer in der Herstellung.
Versuche mit kostengünstiger herzustellenden Sensoren, die nach einem anderen
Funktionsprinzip arbeiten, beispielsweise unter Verwendung eines mikromechani
schen Schwingkreises, haben ergeben, daß unter bestimmten Fahrbedingungen
und Umwelteinflüssen Funktionsstörungen am Sensor auftreten können.
Aufgabe der Erfindung ist es, Maßnahmen zur Erhöhung der Funktionssicherheit
eines Sensors aufzuzeigen.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Kerngedanke ist
es dabei, für den Sensor eine Lagerung vorzusehen, durch die der Sensor von fahr
zeugseitigen Schwingungen entkoppelt wird. Die erfindungsgemäße Lagerung weist
eine Grundplatte auf, die der Aufspannung des Sensors dient, wobei die
Grundplatte über wenigstens ein Dämpfungselement mit der Fahrzeugkarosserie
verbunden ist.
Gemäß Anspruch 2 ist die Lagerung des Sensors so ausgelegt, daß ihre Eigenfre
quenz unterhalb einer Frequenz liegt, bei der beispielsweise aufgrund von Reso
nanzerscheinungen im Sensor bereits bei relativ niedrigen Schwingpegeln Funkti
onsstörungen am Sensor auftreten können (überkritische Auslegung). Die Lagerung
aus Grundplatte mit darauf befestigtem Sensor einerseits und dem Dämpfungsele
ment andererseits stellt einen Einmassenschwinger dar, der durch sein Eigen
schwingverhalten eine Entkopplung des Sensors von den Schwingungen der Fahr
zeugkarosserie bewirkt.
Neben dem beschriebenen Phänomen der Resonanzerscheinung kann die Funkti
onsfähigkeit eines Sensors - unabhängig vom Frequenzbereich - durch zu hohe
karosserieseitige Schwingpegel beeinträchtigt werden, die ein Sensor-Ausgangs
signal in der "Sättigung" des nachgeschalteten Regelkreises bewirken, das nicht
mehr verarbeitet werden kann. Daher ist der Sensor generell in einem Bereich der
Karosserie anzuordnen, in dem vergleichsweise niedrige Schwingpegel auftreten.
Insbesondere ist bei einer erfindungsgemäßen Lösung nach Anspruch 2 darauf zu
achten, daß die Schwingungsanregung durch die Karosserie in dem Frequenzbe
reich, in dem die Eigenfrequenz der Lagerung für den Sensor liegt, vergleichsweise
niedrig ist (Anspruch 3). Damit wird verhindert, daß gerade in dem Bereich, in dem
die erfindungsgemäße Lagerung eine Schwingungsüberhöhung bewirkt, ein
Schwingpegel erreicht wird, der ein Ausgangssignal im Bereich der Sättigung er
zeugt. Bei der Auswahl des Anbringungsortes für den Sensor scheiden beispiels
weise solche Anbringungsorte aus, an denen Eigenfrequenzen der Fahrzeugstruk
tur auftreten, die mit der Eigenfrequenz der Lagerung zusammenfallen. Alternativ ist
bei einem vorgegebenen Anbringungsort mit bestimmtem Eigenschwingverhalten
darauf zu achten, daß die Lagerung so abgestimmt wird, daß ihre Eigenfrequenz
nicht mit Eigenfrequenzen der Karosseriestruktur des Anbringungsortes zusam
menfällt.
Bei Sensoren mit einem Schwingsystem mit einer festen Arbeitsfrequenz (Anspruch
4) wirkt sich eine entsprechend abgestimmte erfindungsgemäße Lagerung beson
ders vorteilhaft aus. Derartige Sensoren werden z. B. zur Ermittlung des Gierver
haltens eines Kraftfahrzeuges eingesetzt (Anspruch 5) und müssen als sicherheits
relevante Bauteile mit großer Zuverlässigkeit arbeiten. Durch die Erfindung ist es
möglich, Sensoren einzusetzen, deren Herstellkosten weniger als die Hälfte der
Herstellkosten herkömmlicher piezoelektrischer Sensoren betragen.
Durch das Verhältnis der Massen gemäß Anspruch 6 wird ein Einmassenschwinger
geschaffen, der den Sensor gegenüber hochfrequenten Schwingungen isoliert
(mechanischer Filter).
Durch eine etwa quadratische Grundplatte der Lagerung (Anspruch 7) wird erreicht,
daß Kippschwingungen in allen drei rotatorischen Freiheitsgraden etwa gleichmäßig
bedämpft werden. Außerdem ergibt sich hieraus der Vorteil, daß die Eigenfrequenz
dieser "Kippformen" der Grundplatte in etwa demselben Frequenzbereich liegt wie
die Eigenfrequenz für Schwingungen in einer Richtung senkrecht zur Grundplatte
(in der Regel in vertikaler Richtung - "Hubform"). Um diese Auslegung zu erzielen,
sind Dämpfungselemente jeweils in den Eckbereichen der Grundplatte vorzusehen
(Anspruch 8). Alternativ kann auch ein umlaufendes oder können zwei streifenför
mige Dämpfungselemente eingesetzt werden.
Zur Erzielung einer wirkungsvollen Isolation hochfrequenter Schwingungen sind
gemäß Anspruch 9 hochdämpfende Gummielemente vorgesehen, die beispiels
weise von einem Butyl-Kautschuk (Anspruch 10) oder EPDM-Kunststoff gebildet
werden. Zur Anwendung in Kraftfahrzeugen müssen die verwendeten Materialien im
Temperaturbereich von ca. -30 bis +70°C weitestgehend gleichbleibende Materi
aleigenschaften aufweisen. Außerdem weisen die verwendeten Materialien idealer
weise nur eine geringe Richtungsabhängigkeit ihrer Dämpfungseigenschaften auf,
wodurch in allen sechs möglichen Schwingungs-Freiheitsgraden vergleichbare
Dämpfungseigenschaften erzielt werden.
Zur Erreichung des erfindungsgemäßen Effektes kann anstelle einer separaten
Grundplatte selbstverständlich auch das Gehäuse des Sensors entsprechend aus
gebildet sein, insbesondere eine entsprechende Masse und räumliche Ausdehnung
aufweisen. Der im Zusammenhang mit der Erfindung verwendete Begriff "Sensor"
schließt somit auch einen auf seine eigentliche Funktion reduzierten
Sensorbaustein ein, der in ein als "Grundplatte" wirkendes, entsprechend schwer
und groß ausgebildetes Gehäuse eingesetzt ist. Größere Spielräume bietet jedoch
ein universell ausgelegter Sensor, z. B. mit einem Kunststoffgehäuse zum Schutz
vor mechanischen Beschädigungen und Umwelteinflüssen, der für unterschiedliche
Einsatzzwecke jeweils mit einer entsprechend angepaßten Grundplatte versehen
wird.
Ein mögliches Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt
und wird nachfolgend näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 eine Lagerung für einen Sensor in der Draufsicht,
Fig. 2 die Lagerung von Fig. 1 mit einem darauf angeordneten Sensor in der Sei
tenansicht und
Fig. 3 das Übertragungsverhalten der Lagerung von Fig. 1 über der Frequenz.
Die Fig. 1 und 2 zeigen die Lagerung eines Sensors 1 auf einer Grundplatte 2, die
über Dämpfungselemente 3a bzw. 3b an einer Fahrzeugkarosserie 4 angeordnet
ist. Der Sensor 1 ist über zwei Schrauben 5, die in Gewindebohrungen 6 der Grund
platte eingreifen, mit der Grundplatte 2 verbunden. Ein Stützfuß 7 am Sensor 1, der
sich an der Grundplatte 2 in dem mit der Bezugszahl 8 bezeichneten Bereich ab
stützt, gewährleistet eine definierte Dreipunktabstützung des Sensors 1.
Bei dem Sensor 1 handelt es sich beispielsweise um einen Sensor zur Ermittlung
des Gierverhaltens eines Kraftfahrzeuges (Drehratensensor). Dieser Sensor 1 weist
wenigstens einen mikromechanischen Schwingkreis mit einer gleichbleibenden Ar
beitsfrequenz fkonst von z. B. 3 kHz auf. Die Schwingrichtung S des mikromechani
schen Schwingkreises verläuft quer zur Fahrtrichtung FR. Die Eigenfrequenz f0S des
Sensors 1 liegt beispielsweise bei ca. 1 kHz. Der Sensor 1 ist z. B. im Bereich un
terhalb des Fahrersitzes an der Bodenstruktur des Kraftfahrzeuges angeordnet.
Kritische Belastungsfälle für den Betrieb des Sensors 1 sind
- - Anregungen des Sensors 1 in seinem Eigenfrequenzbereich (1 kHz), die einen bestimmten, relativ niedrigen Beschleunigungswert (z. B. ca. 0,1 g) überschreiten, da der Sensor 1 für diesen Fall aufgrund seiner bauartbe dingten Resonanzüberhöhung kein verwertbares Ausgangssignal mehr lie fert sowie
- - über den gesamten Frequenzbereich Schwingpegel oberhalb eines be stimmten Grenzwertes (z. B. ca. 10 g), da der Sensor 1 für diesen Fall ein Ausgangssignal in einer Größenordnung liefert, das von dem nachgeschal teten Regelkreis nicht mehr verwertet werden kann.
Zu Anregungen im Eigenfrequenzbereich des Sensors 1 kommt es beispielsweise
bei hohen Querbeschleunigungen des Fahrzeugs (Kurvenfahrt im Grenzbereich).
Absolut hohe Schwingpegel werden z. B. durch Auftreffen von Spritzwasser,
Schneematsch, Splitt etc. auf die Unterseite der Bodenstruktur erzeugt.
Die kritische Anregungsrichtung ist dabei grundsätzlich identisch mit der
Schwingrichtung S des Schwingkreises des Sensors 1. Aufgrund von Wechselwir
kungen erzeugen jedoch auch andere, beliebig gerichtete Schwingamplituden un
erwünschte Schwingungen in der kritischen Richtung S.
Ausgehend von dem oben beschriebenen Sensor 1, der z. B. eine Eigenmasse von
30 g aufweist, ergibt sich für eine erfindungsgemäße Lagerung beispielsweise fol
gende Auslegung: Die Grundplatte 2 wird von einer Stahlplatte mit einer Länge von
9 cm, einer Breite von 7 cm sowie einer Dicke von 0,5 cm gebildet und besitzt eine
Masse von etwa 250 g. Sie ist über vier Dämpfungselemente 3a, die jeweils an den
Ecken der Grundplatte 2 angeordnet sind, mit der Fahrzeugkarosserie 4 verbunden.
Die Dämpfungselemente 3a werden von Butyl-Kautschuk-Elementen mit einer
Länge von 1,5 cm, einer Breite von 1 cm sowie einer Dicke von 0,6 cm gebildet.
Alternativ zu vier einzelnen Dämpfungselementen 3a können beispielsweise auch
zwei streifenförmige Dämpfungselemente 3b (in Fig. 1 strichpunktiert dargestellt)
verwendet werden. Die Dämpfungselemente 3a oder 3b werden auf die Unterseite
der Grundplatte 2 bevorzugt aufvulkanisiert und ebenso durch Vulkanisation mit der
Karosserie 4 verbunden. Selbstverständlich kann die Anbindung der Dämpfungs
elemente 3a oder 3b an die Fahrzeugkarosserie 4 auch mittelbar durch steife Befe
stigungswinkel oder -laschen erfolgen.
In Fig. 3 ist die Übertragungsfunktion ÜF der erfindungsgemäßen Lagerung über
der Frequenz f dargestellt. Dabei ist die Abszisse auf die Eigenfrequenz f0 der La
gerung normiert, so daß sich für die Abszisse benennungslose Maßzahlen ergeben.
An der Ordinate ist das Verhältnis der Schwingbeschleunigung aG an der Grund
platte 1 zu der anregenden Schwingbeschleunigung aK an der Karosserie 4 aufge
tragen.
Die kritische Anregungsfrequenz fkrit für den Sensor 1 wird durch seine Eigenfre
quenz f0S bestimmt. Im vorliegenden Beispiel ist eine Eigenfrequenz f0L der Lage
rung von ca. 300 Hz realisiert, so daß die kritische Anregungsfrequenz fkrit mit ca.
1 kHz im Bereich der dreifachen Eigenfrequenz f0L der Lagerung liegt. Somit liegt
ein sicherer Abstand zwischen den Bereichen der beiden Eigenfrequenzen f0L und
f0S vor. Die Übertragungsfunktion ÜF weist im Bereich der kritischen Frequenz fkrit
einen Wert von nur mehr 10% auf, so daß eine wirksame Entkopplung des Sen
sors 1 von den Karosserieschwingungen gewährleistet ist. Bei der Anordnung der
Lagerung an der Karosserie 4 ist darauf zu achten, daß der Anbindungsort in einem
möglichst steifen Bereich der Karosserie 4 des Fahrzeuges liegt, um die Schwin
gungsüberhöhung im Bereich der Eigenfrequenz f0L der Lagerung auszugleichen.
Im dargestellten Beispiel fällt die Überhöhung mit 180% vergleichsweise gering
aus. Ein Karosseriebereich mit geringen Schwingamplituden liegt beispielsweise im
Kreuzungsbereich zweier Träger vor. Hingegen ist eine Anbringung in einer flächi
gen Struktur, wie etwa in der Fläche eines Bodenbleches, zu vermeiden, da hier
erfahrungsgemäß starke Schwingungen der Struktur auftreten.
Claims (11)
1. Anordnung eines Sensors in einem Fahrzeug,
dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (1) auf einer Grundplatte (2) an
geordnet ist, die über wenigstens ein Dämpfungselement (3a, 3b) mit der
Karosserie (4) verbunden ist.
2. Anordnung nach Anspruch 1 und/oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die Eigenfrequenz (f0L) des Systems aus
Grundplatte (2) mit Sensor (1) sowie Dämpfungselement (3a, 3b) unterhalb
eines Frequenzbereiches (fkrit) liegt, der für die Funktion des Sensors (1) kri
tisch ist.
3. Anordnung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Eigenfrequenz (f0L) des Sy
stems aus Grundplatte (2) mit Sensor (1) sowie Dämpfungselement (3a, 3b)
fahrzeugseitig vergleichsweise geringe Schwingungsanregungen auftreten.
4. Anordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (1) ein Schwingsystem mit einer
festen Arbeitsfrequenz (fkonst) aufweist.
5. Anordnung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (1) zur Ermittlung des Gierverhal
tens eines Fahrzeuges dient.
6. Anordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Masse der Grundplatte (2) deutlich größer
ist als die Masse des Sensors (1).
7. Anordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Grundplatte (1) etwa quadratisch ist.
8. Anordnung nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, daß in den Eckbereichen der Grundplatte (2) je
weils ein Dämpfungselement (3a) vorgesehen ist.
9. Anordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß das Dämpfungselement (3a, 3b) von einem
hochelastischen Gummielement gebildet wird.
10. Anordnung nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, daß das Gummielement (9) von einem Butyl-Kau
tschuk gebildet wird.
11. Lagereinheit mit einer Grundplatte (1) und wenigstens einem Dämpfungs
element (3a, 3b) für die Anordnung eines Sensors (1) nach einem der vor
angegangenen Ansprüche.
Priority Applications (1)
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