EP1441919A1 - Fahrwerksteil aus faserverstärkten kunststoffen mit integriertem sensor - Google Patents

Fahrwerksteil aus faserverstärkten kunststoffen mit integriertem sensor

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EP1441919A1
EP1441919A1 EP02779200A EP02779200A EP1441919A1 EP 1441919 A1 EP1441919 A1 EP 1441919A1 EP 02779200 A EP02779200 A EP 02779200A EP 02779200 A EP02779200 A EP 02779200A EP 1441919 A1 EP1441919 A1 EP 1441919A1
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vehicle
chassis
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chassis part
measuring
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Jürgen GRÄBER
Jochen Kruse
Joachim Spratte
Stefan Schönhoff
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ZF Lemfoerder GmbH
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ZF Lemfoerder GmbH
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    • B60G2800/94—Electronic Stability Program (ESP, i.e. ABS+ASC+EMS)

Definitions

  • the invention relates to chassis parts for connection and Kjraftübeilragung between a vehicle chassis and at least one wheel, consisting of fiber-reinforced plastics or plastic composite systems, preferably for a passenger or commercial vehicle.
  • Vehicle chassis and the wheel, also called the handlebar are generally known. Furthermore, it is known, for example from DE 38 39 855 A1, to produce lightweight components which consist of a connection between metal and plastic structural parts.
  • the problem with such composite materials is that the plastic parts, in particular fiber-reinforced plastic components, can break brittle when subjected to too high a load. This means that parts that are too heavy can suddenly lose their strength and stability. For this reason, it poses a certain safety risk to use composite materials of this kind for chassis drivers, since here, in particular, extremely high safety requirements are imposed, but on the other hand enormous forces can act briefly on the chassis handlebars due to unpredictable driving or accident situations.
  • the inventors have recognized that it is possible to constantly monitor the forces occurring in these chassis parts. To recognize signs of fatigue in good time and thus to be able to guarantee sufficient safety when using composite materials for such chassis parts. Since plastics, with the same strength as metals, have a significantly higher elongation, these materials are particularly suitable for easily and precisely determining the loads that are actually experienced using strain gauges or piezo elements. Since time integration is also possible, material fatigue phenomena can be recorded that are not only generated by peak loads, but also by permanent loads. It has also proven to be particularly advantageous that this not only enables force measurements to be carried out to monitor the service life of these chassis parts, but also that the measured force values can also be used in electronic control devices, preferably for driving and / or position stabilization of vehicles.
  • the inventors therefore propose to improve chassis parts for connecting and transmitting power between a vehicle chassis and at least one wheel, consisting of fiber-reinforced plastics or plastic composite systems, preferably for a passenger or commercial vehicle, in such a way that at least one means for measuring the other Forces engaging undercarriage parts are integrated into the plastic parts of the undercarriage parts.
  • chassis parts represent lever structures that are jerked or jerked, particularly when they are so-called handlebars, also subjected to greater loads and accelerated than the other vehicle. These accelerations can be measured with an acceleration sensor. You go now assume that certain accelerations, over a certain time, describe a distance covered, so one can conclude that the driver has been abused, e.g. B. a quick ride over a curb. Although this is not a direct force measurement, it is sufficient to identify misuse conditions.
  • strain gauges or piezo elements can be mentioned particularly advantageously here, by means of which the forces occurring on the chassis parts can be determined electronically.
  • a special embodiment of the chassis parts according to the invention is that the means for measuring the acting forces are arranged in such a way that they can register forces in at least 2, preferably 3, independent axes. This makes it possible to define the acting forces either in one plane or even spatially.
  • Another way of measuring the load on a force connection strut can be to embed a light guide in a plastic, and as soon as it is bent under load, the permeability changes in individual modes.
  • the bending stress in the handlebar can thus be inferred from the measurement of frequency band shifts or the extinction of individual modes.
  • the inventors also propose a vehicle with the above-mentioned chassis parts, at least one means for measuring the acting forces being coupled to an electronic control device for driving and / or position stabilization of the vehicle, in particular by acting on driving or braking elements is.
  • control devices can be, for example, the known ESP (Electronic Stability Program) or a simple headlight range adjustment of the vehicle headlights.
  • a vehicle according to the invention can also be designed such that at least one means for measuring the acting forces is coupled to an electronic documentation device for the measured forces.
  • an electronic documentation device which can consist, for example, of a simple electronic memory in which the measured values are stored electronically, it is now possible to recognize loads that have occurred subsequently.
  • an evaluation of the measured values for example with regard to the maximum values read out, or also a more complex calculation of an integrated load and thus the still existing life expectancy takes place in the electronic documentation device.
  • This can possibly also be done in combination with a temperature sensor, since there are also dependencies between the strength of the respective undercarriage part and the current body temperature of the undercarriage part, which should be particularly taken into account when using plastics. With regard to their resilience, plastics are much more dependent on their temperature than metals.
  • the electronic documentation device is integrated in the electronic control device for driving and / or position stabilization of the vehicle. This results in the possibility of only having to calculate the currently occurring forces eimnal and at the same time to use the life expectancy on the one hand and on the other hand for the driving and / or position stabilization of the vehicle.
  • the inventors furthermore propose that the documentation device also include means for blocking the Vehicle when the above-mentioned preset maximum loads or the maximum life of an essential chassis part is exceeded.
  • handlebars Due to the equipment of chassis parts according to the invention, it is now possible to also manufacture safety-relevant handlebars from fiber-reinforced plastics and to use them without a safety risk. If the handlebars are manufactured using an injection molding process or RTM-like process (RTM - Resin Transfer Molding), the integration of prefabricated sensors as an insert is very easy to accomplish. Handlebars made of other materials or material composite systems that have a high local elongation due to their construction are also suitable. Here you can easily
  • Way sensors are integrated into the handlebars at suitable points, for example with high local loads.
  • the sensors can perform two functions, namely they can be used to continuously measure the forces and thus to provide the data for electronic chassis control, and on the other hand they can be used for monitoring to indicate whether overloads are occurring that could damage the driver himself.
  • the method presented thus provides the information that enables diagnosis of the condition of the undercarriage.
  • diagnosis can be useful after accidents have occurred in which, for example, no visible damage to chassis parts can be seen, but based on the measured forces it can be assumed that structural damage must have occurred inside such parts.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Fahrwerksteil zur Verbindung und Kraftübertragung zwischen einem Fahrzeugchassis und mindestens einem Rad, bestehend aus faserverstärkten Kunststoffen oder Kunststoffverbundsystemen, vorzugsweise für einen Personen- oder Nutzkraftwagen. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass mindestens ein Mittel zur Messung von an den Fahrwerksteilen angreifenden Kräften in die Kunststoffanteile der Fahrwerksteile integriert ist.

Description

FAHRWERKSTEIL AUS FASERVERSTÄRKTEN KUNSTSTOFFEN MIT INTEGRIERTEM SENSOR
Beschreibung
Die Erfindung betrifft Fahrwerksteile zur Verbindung und Kjraftübeilragung zwischen einem Fahrzeugchassis und mindestens einem Rad, bestehend aus faserverstärkten Kunststoffen oder Kunststoffverbundsystemen, vorzugsweise für einen Personen- oder Nutzkraftwagen.
Solche Fahrwerksteile zur Verbindung und Kraftübertragung zwischen dem
Fahrzeugchassis und dem Rad, auch Lenker genannt, sind grundsätzlich bekannt. Des Weiteren ist es beispielsweise aus der Schrift DE 38 39 855 AI bekannt, Leichtbauteile herzustellen, die aus einer Verbindung zwischen Metall- und Kunststoffstrukturteilen bestehen. Problematisch ist bei solchen Verbundmaterialien, dass die Kunststoffanteile, insbesondere faserverstärkte Kunststoffbauteile, bei zu hoher Belastung spröde brechen können. Das heißt, solche Teile können bei einer zu großen Belastung sprunghaft ihre Festigkeit und Stabilität verlieren. Aus diesem Grunde stellt es ein gewisses Sicherheitsrisiko dar, derartige Verbundwerkstoffe bei Fahrwerkslenkem einzusetzen, da besonders hier einerseits äußerst hohe Sicherheitsanforderungen gestellt werden, andererseits jedoch aufgrund unvorhersehbarer Fahr- oder auch Unfallsituationen kurzzeitig enorme Kräfte auf die Fahrwerklenker einwirken können. Allerdings ermöglichen solche Verbundwerkstoffe eine äußerst gewichtsarme und damit energiesparende Bauweise, so dass es aus Gründen des effizienten Fahrzeugbaues wünschenswert ist, derartige Verbundwerkstoffe auch bei Fahrwerklenkern einzusetzen. Es ist daher Aufgabe der Erfindung die oben genannten- Fahrwerksteile so auszugestalten, dass ein gefahrloser und risikoloser Einsatz in Fahrzeugen möglich ist.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand untergeordneter Ansprüche.
Die Erfinder haben erkannt, dass es möglich ist, durch ständige Überwachung der auftretenden Kräfte in diesen Fahrwerksteilen. Ermüdungserscheinungen rechtzeitig zu erkennen und damit eine ausreichende Sicherheit bei der Verwendung von Verbundwerkstoffen für solche Fahrwerksteile gewährleisten zu können. Da Kunststoffe bei gleicher Festigkeit wie Metalle eine wesentlich höhere Dehnung aufweisen, sind diese Materialien besonders dafür geeignet, durch Dehnungsmessstreifen oder Piezoelemente einfach und genau ihre tatsächlich erfahrenen Belastungen zu ermitteln. Da auch eine zeitliche Integration möglich ist, können auch Materialermüdungserscheinungen erfasst werden, die nicht nur durch Spitzenlasten, sondern auch durch Dauerbelastungen erzeugt werden. Als besonders vorteilhaft erweist es sich außerdem, dass hierdurch nicht nur Kraftmessungen für die Lebensdauerüberwachung dieser Fahrwerksteile möglich sind, sondern dass die gemessenen Kraftwerte auch in elektronischen Steuervorrichtungen, vorzugsweise zur Fahr- und/oder Lagestabilisierung von Fahrzeugen, verwertet werden können.
Entsprechend dem Erfindungsgedanken schlagen die Erfinder also vor, Fahrwerksteile zur Verbindung und Kraftübertragung zwischen einem Fahrzeugchassis und mindestens einem Rad, bestehend aus faserverstärkten Kunststoffen oder Kunststoffverbundsystemen, vorzugsweise für einen Personen- oder Nutzkraftwagen, dahingehend zu verbessern, dass mindestens ein Mittel zur Messung von an den Fahrwerksteilen angreifenden Kräften in die Kunststoffanteile der Fahrwerksteile integriert ist.
Grundsätzlich stellen Fahrwerksteile Hebelkonstruktionen dar, die ruck- oder stoßförmig, insbesondere, wenn es sich um sogenannte Lenker handelt, auch stärker als das sonstige Fahrzeug, belastet und insbesondere beschleunigt werden. Diese auftretenden Beschleunigungen können mit einem Beschleunigungssensor gemessen werden. Geht man nun davon aus, das bestimmte Beschleunigungen, über eine bestimmte Zeit, einen zurückgelegten Weg beschreiben, so kann man auf einen missbräuchlichen Einsatz des Lenkers schließen, z. B. eine schnelle Fahrt über einen Bordstein. Dies ist zwar keine direkte Kraftmessung, reicht jedoch aus um Missbrauchszustände identifizieren zu können.
Wie bereits erwähnt, sind hier besonders vorteilhaft Dehnungsmeßstreifen oder Piezoelemente zu nennen, über die in elektronischer Weise die auftretenden Kräfte an den Fahrwerksteilen ermittelt werden können.
Eine besondere Ausgestaltung der erfϊndungsgemäßen Fahrwerksteile besteht darin, dass die Mittel zur Messung der angreifenden Kräfte derart angeordnet werden, dass sie Kräfte in mindestens 2, vorzugsweise 3, unabhängigen Achsen registrieren können. Hierdurch wird es möglich, die angreifenden Kräfte entweder in einer Ebene oder sogar räumlich zu definieren.
Eine andere Art, die Belastung auf eine Kraftverbindungsstrebe zu messen kann darin bestehen, einen Lichtleiter in einen Kunststoff einzubetten, wobei , sobald dieser unter Last verbogen wird, sich die Durchlässigkeit auf einzelnen Moden verändert. Somit kann über die Messung von Frequenzbandverschiebungen, beziehungsweise die Auslöschung einzelner Moden, auf die Biegespannung im Lenker geschlossen werden.
Entsprechend dem grundlegenden Erfindungsgedanken schlagen die Erfinder auch ein Fahrzeug mit den oben genannten Fahrwerksteilen vor, wobei mindestens ein Mittel zur Messung der angreifenden Kräfte mit einer elektronischen Steuervorrichtung zur Fahr- und/oder Lagestabilisierung des Fahrzeuges, insbesondere durch Einwirkung auf antreibende oder bremsende Elemente, gekoppelt ist. Solche Steuervorrichtungen können beispielsweise das bekannte ESP (Elektronisches Stabilitätsprogramm) oder auch eine einfache Leuchtweitenregulierung der Fahrzeugscheinwerfer sein.
Des Weiteren kann ein erfindungsgemäßes Fahrzeug auch derart gestaltet sein, dass mindestens ein Mittel zur Messung der angreifenden Kräfte mit einer elektronischen Dokumentationsvorrichtung für die gemessenen Kräfte gekoppelt ist. Durch diese elektronische Dokumentationsvorrichtung, die beispielsweise aus einem einfachen elektronischen Speicher bestehen kann, in dem die Meßwerte elektronisch hinterlegt werden, wird es nun möglich auch nachträglich aufgetretene Lasten zu erkennen. Eine andere Möglichkeit besteht darin, dass in der elektronischen Dokumentationsvorrichtung auch eine Auswertung der gemessenen Werte, beispielsweise bezüglich der ausgelesenen Maximalwerte, oder auch eine komplexere Berechnung einer integrierten Belastung und damit der noch vorhandenen Lebenserwartung stattfindet. Möglicherweise kann dies auch in Kombination mit einem Temperatursensor geschehen, da zwischen der Festigkeit des jeweiligen Fahrwerksteils und der aktuellen Körpertemperatur des Fahrwerksteils ebenfalls Abhängigkeiten bestehen, die besonders beim Einsatz von Kunststoffen beachtet werden sollten. Kunststoffe besitzen bezüglich ihrer Belastbarkeit eine wesentlich größere Abhängigkeit von ihrer Temperatur als Metalle.
Besonders vorteilhaft ist es im Sinne des Erfindungsgedankens, wenn die elektronische Dokumentationsvorrichtung in der elektronischen Steuervorrichtung zur Fahr- und/oder Lagestabilisierung des Fahrzeuges integriert ist. Hierdurch ergibt sich die Möglichkeit, die aktuell auftretenden Kräfte nur eimnal berechnen zu müssen und gleichzeitig für einerseits die Lebensdauererwartung und andererseits für die Fahr- und/oder Lagestabilisierung des Fahrzeuges zu verwenden.
Da aufgrund der Kenntnis der Belastungen des entsprechenden Fahrwerkteils Informationen über dessen Haltbarkeit vorliegen, kann es weiterhin besonders vorteilhaft sein, wenn Mittel zur Warnung beim Überschreiten voreingestellter Maximallasten und/oder dem Erreichen einer maximalen Lebensdauer vorgesehen sind. Die gemessenen Daten werden also gleichzeitig für zwei Anwendungen genutzt. Hieraus ergibt sich ein Synergieeffekt, durch Einsparung weiterer Sensoren für eine Überlastungkontrolle des Lenkers oder die Ermittlung von Fahrwerksparametern für eine elektronische Fahr- oder Lagestabilisierung.
In einer Fortführung dieses Erfindungsgedankens wird weiterhin von den Erfindern vorgeschlagen, dass die Dokumentationsvorrichtung auch Mittel zur Sperrung des Fahrzeugs beim Überschreiten der oben genannten voreingestellten Maximallasten oder der Maximallebensdauer eines wesentlichen Fahrwerksteils aufweist.
Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausstattung von Fahrwerksteilen ist es nun möglich, auch sicherheitsrelevante Lenker aus faserverstärkten Kunststoffen herzustellen und ohne Sicherheitsrisiko einzusetzen. Wenn die Lenker in einem Spritzgußverfahren oder RTM- ähnlichen Verfahren (RTM - Resin Transfer Molding) hergestellt werden, ist die Integration von vorgefertigten Sensoren als Einlegeteil sehr leicht zu bewerkstelligen. Lenker aus anderen Materialien oder Materialverbundsystemen, die von der Konstruktion eine hohe lokale Dehnung aufweisen, sind ebenso geeignet. Hierbei können auf einfache
Art und Weise Sensoren an geeigneten Stellen, beispielsweise mit hohen lokalen Lasten, in Lenker integriert werden. Die Sensoren können dabei zwei Funktionen erfüllen, nämlich sie können zur kontinuierlichen Messung der Kräfte und damit zur Bereitstellung der Daten für eine elektronische Fahrwerksregelung dienen und andererseits zur Überwachung genutzt werden, um anzuzeigen ob Überlasten auftreten, die den Lenker selbst schädigen könnten.
Durch das dargestellte Verfahren werden somit die Informationen zur Verfügung gestellt, die eine Diagnose des Zustandes des Fahrwerks ermöglichen. Insbesondere kann eine derartige Diagnose nach aufgetretenen Unfällen sinnvoll sein, bei denen beispielsweise keine sichtbaren Schäden an Fahrwerksteilen zu erkennen sind, jedoch aufgrund der gemessenen Kräfte davon ausgegangen werden kann, dass Strukturschäden im Inneren solcher Teile aufgetreten sein müssen.

Claims

Patentansprüche
1. Fahrwerksteil zur Verbindung und Kraftübertragung zwischen einem Fahrzeugchassis und mindestens einem Rad eines Kraftfahrzeuges, bestehend aus faserverstärkten Kunststoffen oder Kunststoffverbundsystemen, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Mittel zur Messung von an dem Fahrwerksteil angreifenden Kräften in die Kunststoffanteile des Fahrwerksteiles integriert ist.
2. Fahrwerksteil gemäß dem voranstehenden Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Mittel zur Messung der angreifenden Kräfte ein Dehnungsmeßstreifen, ein Piezoelement, ein Beschleunigungssensor oder ein im Kunststoff des Fahrwerkteils eingebetteter Lichtwellenleiter ist.
3. Fahrwerksteil gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Messung der angreifenden Kräfte derart angeordnet sind, dass sie Kräfte in mindestens 2, vorzugsweise 3, unabhängigen Achsen registrieren können.
4. Fahrzeug mit einem Fahrwerksteil mit den Merkmalen gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Mittel zur Messung der angreifenden Kräfte mit einer elektronischen Steuervorrichtung zur Fahr- und/oder Lagestabilisierung des Fahrzeuges, insbesondere durch Einwirkung auf antreibende oder bremsende Elemente (z.B. ESP), gekoppelt ist.
5. Fahrzeug gemäß Oberbegriff des voranstehenden Anspruches 4 oder gemäß dem voranstehenden Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Mittel zur Messung der angreifenden Kräfte mit einer elektronischen Dokumentationsvorrichtung für die gemessenen Kräfte gekoppelt ist.
6. Fahrzeug gemäß dem voranstehenden Ansprüche 5, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Dokumentationsvorrichtung in der elektronischen Steuervorrichtung zur Fahr- und/oder Lagestabilisierung des Fahrzeuges integriert ist.
7. Fahrzeug gemäß einem der voranstehenden Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Dokumentationsvorrichtung Mittel zur Warnung beim Überschreiten voreingestellter Maximallasten und/oder einer überschrittenen Lebensdauer aufweist.
8. Fahrzeug gemäß einem der voranstehenden Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Dokumentationsvorrichtung Mittel zur Sperrung des Fahrzeugs beim Überschreiten voreingestellter Maximallasten aufweist.
9. Verwendung von in Fahrwerksteilen aus Kunststoff oder Verbundwerkstoffen mit Kunststoff integrierten Mitteln zur Messung von an den Fahrwerksteilen angreifenden Kräften, vorzugsweise gemäß einem der voranstehenden Ansprüche 1 bis 3, zur Lebensdauerkontrolle dieser Fahrwerksteile und zur Messwertsammlung für elektronische Steuervorrichtungen, insbesondere für eine Leuchtweitenregulierung und/oder Fahr- und Lagestabilisierung eines Fahrzeugs.
EP02779200A 2001-11-06 2002-11-06 Fahrwerksteil aus faserverstärkten kunststoffen mit integriertem sensor Withdrawn EP1441919A1 (de)

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DE10153970A DE10153970A1 (de) 2001-11-06 2001-11-06 Fahrwerksteil
PCT/DE2002/004121 WO2003039894A1 (de) 2001-11-06 2002-11-06 Fahrwerksteil aus faserverstärkten kunststoffen mit integriertem sensor

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EP02779200A Withdrawn EP1441919A1 (de) 2001-11-06 2002-11-06 Fahrwerksteil aus faserverstärkten kunststoffen mit integriertem sensor

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US (1) US7083199B2 (de)
EP (1) EP1441919A1 (de)
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