DE19811613B4

DE19811613B4 - Anordnung eines Sensors in einem Fahrzeug

Info

Publication number: DE19811613B4
Application number: DE1998111613
Authority: DE
Inventors: Hans-Dieter Tietz-Stierle; Bernhard Broich
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 1998-03-17
Filing date: 1998-03-17
Publication date: 2007-01-25
Anticipated expiration: 2018-03-18
Also published as: DE19811613A1

Abstract

Anordnung eines Sensors in einem Fahrzeug, wobei der Sensor (1) zur Ermittlung des Gierverhaltens des Fahrzeugs dient, wenigstenns einen mikromechanischen Schwingkreis aufweist und auf einer Grundplatte (2) angeordnet ist, die über wenigstens ein Dämpfungselement (3a, 3b) mit der Karosserie (4) verbunden ist, so daß die Eigenfrequenz (f_0L) des Systems aus Grundplatte (2) mit Sensor (1) sowie Dämpfungselement (3a, 3b) unterhalb eines Frequenzbereiches (f_krit) liegt, der für die Funktion des Sensors (1) kritisch ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung eines Gierraten-Sensors in einem Fahrzeug.

Zur Ermittlung des Gierverhaltens eines Kraftfahrzeuges wird in serienmäßig hergestellten Fahrzeugen der Anmelderin ein Sensor mit einem piezoelektrischen Element verwendet. Der bekannte Sensor für ein Fahrzeug-Stabilitäts-Regelungssystem 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 mikromechanischen Schwingkreises, haben ergeben, daß unter bestimmten Fahrbedingungen und Umwelteinflüssen Funktionsstörungen am Sensor auftreten können.

Die nicht vorveröffentlichte DE 197 56 552 A1 beschreibt einen Gierratensensor mit einem piezoelektrischen Element oder einer Stimmgabel, der auf einer Grundplatte angeordnet ist. Die Grundplatte ist über Dämpfungselemente in einem Gehäuse gelagert.

Aufgabe der Erfindung ist es, Maßnahmen zur Erhöhung der Funktionssicherheit eine Gierratensensors 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 fahrzeugseitigen 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.

Dabei ist die Lagerung des Sensors so ausgelegt, daß ihre Eigenfrequenz unterhalb einer Frequenz liegt, bei der beispielsweise aufgrund von Reso nanzerscheinungen im Sensor bereits bei relativ niedrigen Schwingpegeln Funktionsstörungen am Sensor auftreten können (überkritische Auslegung). Die Lagerung aus Grundplatte mit darauf befestigtem Sensor einerseits und dem Dämpfungselement andererseits stellt einen Einmassenschwinger dar, der durch sein Eigenschwingverhalten eine Entkopplung des Sensors von den Schwingungen der Fahrzeugkarosserie bewirkt.

Neben dem beschriebenen Phänomen der Resonanzerscheinung kann die Funktionsfähigkeit eines Sensors – unabhängig vom Frequenzbereich – durch zu hohe karosserieseitige Schwingpegel beeinträchtigt werden, die ein Sensor-Ausgangssignal 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.

Es ist darauf zu achten, daß die Schwingungsanregung durch die Karosserie in dem Frequenzbereich, in dem die Eigenfrequenz der Lagerung für den Sensor liegt, vergleichsweise niedrig ist (Anspruch 2). 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 erzeugt. Bei der Auswahl des Anbringungsortes für den Sensor scheiden beispielsweise solche Anbringungsorte aus, an denen Eigenfrequenzen der Fahrzeugstruktur 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 zusammenfällt.

Bei Sensoren mit einem Schwingsystem mit einer festen Arbeitsfrequenz (Anspruch 3) wirkt sich eine entsprechend abgestimmte erfindungsgemäße Lagerung besonders vorteilhaft aus. Derartige Sensoren werden zur Ermittlung des Gierverhaltens eines Kraftfahrzeuges eingesetzt und müssen als sicherheitsrelevante 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 4 wird ein Einmassenschwinger geschaffen, der den Sensor gegenüber hochfrequenten Schwingungen isoliert (mechanischer Filter).

Durch eine etwa quadratische Grundplatte der Lagerung (Anspruch 5) 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 6). Alternativ kann auch ein umlaufendes oder können zwei streifenförmige Dämpfungselemente eingesetzt werden.

Zur Erzielung einer wirkungsvollen Isolation hochfrequenter Schwingungen sind gemäß Anspruch 7 hochdämpfende Gummielemente vorgesehen, die beispielsweise von einem Butyl-Kautschuk (Anspruch 8) oder EPDM-Kunststoff gebildet werden. Zur Anwendung in Kraftfahrzeugen müssen die verwendeten Materialien im Temperaturbereich von ca. – 30 bis + 70 °C weitestgehend gleichbleibende Materialeigenschaften aufweisen. Außerdem weisen die verwendeten Materialien Idealerweise 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 ausgebildet 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:
1 eine Lagerung für einen Sensor in der Draufsicht,
2 die Lagerung von 1 mit einem darauf angeordneten Sensor in der Seitenansicht und
3 das Übertragungsverhalten der Lagerung von 1 über der Frequenz.
Die 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 Grundplatte 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 abstützt, gewährleistet eine definierte Dreipunktabstützung des Sensors 1.
Bei dem Sensor 1 handelt es sich um einen Sensor zur Ermittlung des Gierverhaltens eines Kraftfahrzeuges (Drehratensensor). Dieser Sensor 1 weist wenigstens einen mikromechanischen Schwingkreis mit einer gleichbleibenden Arbeitsfrequenz f_konst von z. B. 3 kHz auf. Die Schwingrichtung S des mikromechanischen Schwingkreises verläuft quer zur Fahrtrichtung FR. Die Eigenfrequenz f_0S des Sensors 1 liegt beispielsweise bei ca. 1 kHz. Der Sensor 1 ist z. B. im Bereich unterhalb 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 liefert sowie
– über den gesamten Frequenzbereich Schwingpegel oberhalb eines bestimmten Grenzwertes (z. B. ca. 10 g), da der Sensor 1 für diesen Fall ein Ausgangssignal in einer Größenordnung liefert, das von dem nachgeschalteten 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 Wechselwirkungen erzeugen jedoch auch andere, beliebig gerichtete Schwingamplituden unerwünschte 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 folgende 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 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 Dämpfungselemente 3a oder 3b an die Fahrzeugkarosserie 4 auch mittelbar durch steife Befestigungswinkel oder -laschen erfolgen.
In 3 ist die Übertragungsfunktion ÜF der erfindungsgemäßen Lagerung über der Frequenz f dargestellt. Dabei ist die Abszisse auf die Eigenfrequenz f₀ der Lagerung normiert, so daß sich für die Abszisse benennungslose Maßzahlen ergeben. An der Ordinate ist das Verhältnis der Schwingbeschleunigung a_G an der Grundplatte 1 zu der anregenden Schwingbeschleunigung a_K an der Karosserie 4 aufgetragen.
Die kritische Anregungsfrequenz f_krit für den Sensor 1 wird durch seine Eigenfrequenz f_0S bestimmt. Im vorliegenden Beispiel ist eine Eigenfrequenz f_0L der Lagerung von ca. 300 Hz realisiert, so daß die kritische Anregungsfrequenz f_krit mit ca. 1 kHz im Bereich der dreifachen Eigenfrequenz f_0L der Lagerung liegt. Somit liegt ein sicherer Abstand zwischen den Bereichen der beiden Eigenfrequenzen f_0L und f_0S vor. Die Übertragungsfunktion ÜF weist im Bereich der kritischen Frequenz f_krit einen Wert von nur mehr 10 % auf, so daß eine wirksame Entkopplung des Sensors 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 Schwingungsüberhöhung im Bereich der Eigenfrequenz f_0L 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 flächigen Struktur, wie etwa in der Fläche eines Bodenbleches, zu vermeiden, da hier erfahrungsgemäß starke Schwingungen der Struktur auftreten.

Claims

Anordnung eines Sensors in einem Fahrzeug, wobei der Sensor (1) zur Ermittlung des Gierverhaltens des Fahrzeugs dient, wenigstenns einen mikromechanischen Schwingkreis aufweist und auf einer Grundplatte (2) angeordnet ist, die über wenigstens ein Dämpfungselement (3a, 3b) mit der Karosserie (4) verbunden ist, so daß die Eigenfrequenz (f_0L) des Systems aus Grundplatte (2) mit Sensor (1) sowie Dämpfungselement (3a, 3b) unterhalb eines Frequenzbereiches (f_krit) liegt, der für die Funktion des Sensors (1) kritisch ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Eigenfrequenz (f_0L) des Systems aus Grundplatte (2) mit Sensor (1) sowie Dämpfungselement (3a, 3b) fahrzeugseitig vergleichsweise geringe Schwingungsanregungen auftreten.
Anordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (1) ein Schwingsystem mit einer festen Arbeitsfrequenz (f_konst) aufweist.
Anordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Masse der Grundplatte (2) deutlich größer ist als die Masse des Sensors (1).
Anordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundplatte (1) etwa quadratisch ist.
Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in den Eckbereichen der Grundplatte (2) jeweils ein Dämpfungselement (3a) vorgesehen ist.
Anordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Dämpfungselement (3a, 3b) von einem hochelastischen Gummielement gebildet wird.
Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Gummielement (9) von einem Butyl-Kautschuk gebildet wird.