WO2004048912A1 - Vorrichtung und verfahren zur überwachung und steuerung eines fahrzeugs - Google Patents

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WO2004048912A1
WO2004048912A1 PCT/EP2003/012238 EP0312238W WO2004048912A1 WO 2004048912 A1 WO2004048912 A1 WO 2004048912A1 EP 0312238 W EP0312238 W EP 0312238W WO 2004048912 A1 WO2004048912 A1 WO 2004048912A1
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load
vehicle
force
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PCT/EP2003/012238
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Holger Lüthje
Ralf Bandorf
Saskia Biehl
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/18—Measuring force or stress, in general using properties of piezo-resistive materials, i.e. materials of which the ohmic resistance varies according to changes in magnitude or direction of force applied to the material
    • G—PHYSICS
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    • G01L1/2287—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress using resistance strain gauges constructional details of the strain gauges
    • G01L1/2293—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress using resistance strain gauges constructional details of the strain gauges of the semi-conductor type
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    • G01L5/16—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring several components of force
    • G01L5/161—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring several components of force using variations in ohmic resistance
    • G01L5/162—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring several components of force using variations in ohmic resistance of piezoresistors
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    • G01L5/24—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for determining value of torque or twisting moment for tightening a nut or other member which is similarly stressed
    • G01L5/243—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for determining value of torque or twisting moment for tightening a nut or other member which is similarly stressed using washers

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for controlling and / or monitoring and / or regulating vehicles, aircraft and power machines according to the preamble of independent claims 1 and 15.
  • the measuring layer can be applied to a press stamp, which allows the stamp force to be measured. Local measurements in defined zones of the stamp surface can also be provided.
  • the layer material used is known as such and is described, for example, in EP 0 022 285 B1 or EP 0 087 836 B1. This layer material is characterized in particular by its high hardness and elasticity, high wear resistance and extremely low coefficients of friction, and is therefore often used as a wear protection layer.
  • the known layer is a layer of diamond-like carbon.
  • Amorphous hydrocarbon layers (a-C.H layers), hydrogen-free amorphous carbon layers (a-C layers) are preferred,
  • the layers can also contain proportions of oxygen, nitrogen or fluorine.
  • this layer material has led to the layers consisting of it being called diamond-like carbon layers or, in English, DLC layers, where DLC stands for diamond-like carbon.
  • DLC layers are to be understood as the a-C.H layers mentioned above.
  • the friction behavior, the electrical conductivity or the influence of the relative air humidity on the friction hold can be adjusted to a large extent by adding further chemical elements.
  • the layers mentioned can be deposited easily and inexpensively by gas phase deposition, and in particular by means of PVD or CVD processes. This means that deposition is also possible on curved surfaces with a complicated surface geometry, such as corners or edges.
  • micromechanical sensors for measuring translational accelerations and rotational accelerations are known, which are suitable for the data acquisition of airbag systems and driving stability controls.
  • the invention is based on the technical problem of developing a device for controlling and / or regulating and / or monitoring various driving and aircraft components for improved safety and to increase comfort. Furthermore, information about the load is to be transmitted when goods are transported. For this purpose, a sensor without joints, without deformation or design changes should be integrated into the component to be monitored.
  • the problem is solved according to the invention by a device and a method for monitoring and / or controlling and / or regulating a vehicle or aircraft, with means for recording an operating state parameter and an input direction for signal processing, a sensor consisting of an amorphous carbon layer with piezoresistive properties being used.
  • the device according to the invention can be used in many types of vehicles, e.g. in cars, trucks, construction machinery, forklifts and cranes. It can also be used in airplanes and helicopters, as well as in boats, ships and stationary engines.
  • the signal of at least one sensor is fed to a microprocessor, a microcontroller or another analog or digital evaluation circuit which, in the event of unfavorable operating conditions, either issues optical and / or acoustic warnings to the operator or actuates an actuator which intervenes to correct or prevent unfavorable operating conditions.
  • the sensor with a diamond-like carbon layer with piezoresistive properties is known per se.
  • This sensor or the associated layer is described in detail in DE 199 54 164 AI with regard to its manufacture, its chemical composition and its adjustable physical properties, to which reference is expressly made and which is made the content of the present description of the invention ,
  • the sensor used here is characterized by the fact that it can be built up from a hard, wear-resistant layer with only a small thickness. Due to the coating processes described in the cited document, the sensor layer can be integrated into a mechanical device without additional setting joints or structural changes. Another advantage is that the sensor can be easily contacted and structured using known methods.
  • Another part of the invention relates to a device for monitoring and / or controlling and / or regulating a construction device or a construction machine with means for recording an operating state parameter and a device for signal processing, a sensor consisting of an amorphous carbon layer with piezoresistive properties being used ,
  • a construction machine in the sense of this invention is a mobile or stationary construction device such as forklift trucks, mixing machines, excavators, stone crushers or leveling and compacting devices.
  • the operating condition parameter is a force distribution which is determined with at least two sensors.
  • the mechanical load on the motor vehicle is always measured at at least two points, in the form of a force or. Pressure measurement with the piezoresistive layer. This provides information about a force distribution, and preferably about the force distribution within a surface.
  • the mechanical load on the motor vehicle is recorded in the broadest sense. With this force distribution, dynamic and / or static operating condition parameters of the motor vehicle can be determined.
  • dynamic parameters are to be understood as those parameters which depend on or characterize the state of motion of the motor vehicle. Examples of this are the centrifugal force acting on a vehicle, tire grip, wheel imbalance or the like.
  • Static parameters are independent of the state of motion. Examples of this are the load distribution on the loading area of a truck, the load distribution of a crane or a forklift, the weight distribution on a car seat or the load on an aircraft wing.
  • a force distribution in several dimensions can be determined if a sensor is arranged between a molded part that is movable on or in a rail and the rail that guides the molded part.
  • the measurement of the force components in different directions x and y and the determination of a torque are then possible.
  • Two sensors 1 and 1 or 2 and 2 ⁇ are provided for each spatial direction, so that a constant load in the x direction causes an identical signal in the two sensors 2 and 2 % of the x direction. The same applies to the two sensors in the y direction.
  • a difference between the sensors 2 and 2 ⁇ indicates a torque about the axis y, which can be determined from the force difference and the known distance.
  • Fig. Lb shows the section through a rail in a C-shape 17, which contains a fastening element 19 that is displaceable along the rail.
  • the device described can be used to record the load distribution on a loading area or the load on an aircraft wing as an operating condition parameter.
  • the operating state parameter is defined by an array of measured values within an area.
  • the entire area can be mentally broken down into individual partial areas and a force sensor can be placed in each partial area.
  • a visual and / or audible warning signal can be output or via engagement appropriate countermeasures are initiated in the aircraft control. In this way, aircraft safety is increased as desired.
  • Such a procedure can also be used to determine the load distribution within a loading area, for example that of a truck. With continuous measurement, it can be monitored in this way whether the load distribution changes while driving, which will be the case if the load slips. In this case, it is advisable that the operating state parameter “load distribution within the loading area” is fed to an on-board computer, and an acoustic signal if a predefinable limit value is exceeded and / or optical signal is output. In this way, vehicle safety can be increased as desired.
  • the device according to the invention thus additionally provides information about the total weight of the goods to be transported and thus enables the data for material flow and logistics to be collected directly during loading. This eliminates the additional effort that arises when the load has to be fed to a separate weighing device.
  • the load or the load distribution of a motor vehicle seat can be recorded as the operating condition parameter.
  • the operating state parameter can represent, as a two-dimensional quantity, the center of gravity of a weight distribution in one plane, for example the center of gravity of the load on a car seat in relation to a given coordinate system within that plane, which is defined by the support points for the seat attachment, such as a support or the rails of the seat attachment 4. This information can be used to supply the measured load or the load distribution to a device for controlling airbags.
  • the center of gravity of the load distribution of the car seat can be determined continuously.
  • This position information is together with the mass of the passenger of a control or Control device for controlling airbags supplied.
  • the information can be combined with other parameters available from the above-mentioned device in order to monitor and optimize the deployment of airbags. It is thus possible to deploy the airbag in a controlled manner if the passenger is leaning forward at the moment of the accident and is placed accordingly close to the airbag unit.
  • Another area of application arises when the force distribution is measured on the wheel attachment of a motor vehicle.
  • the force-sensitive layer is located, for example, on a washer 10, which is positioned between the wheel nuts or screws 11 and the rim 9 of a motor vehicle wheel 8, cf. Fig. 2a and Fig. 2b. Positioning of the force sensor between rim 9 and contact surface 18 of the rim on the vehicle is also possible, see FIG. 6. This can also be done by coating a vehicle component.
  • FIG. 3 An alternative embodiment is shown in FIG. 3.
  • the sensor layer 10 is arranged on a cone 12. Forces occurring in the horizontal and vertical directions can be measured together. If an additional sensor 10 * is present which determines the horizontal component of the force, the vertical component can easily be calculated 1 .- *
  • This arrangement of the sensors allows accelerations, wheel slip, the imbalance of a motor vehicle wheel or an insufficient tire pressure of the motor vehicle wheel to be determined.
  • the center of gravity of the force distribution in the plane spanned by the wheel nuts can be determined during wheel rotation, and an imbalance of the wheel on the vehicle during operation can be detected in this way.
  • Known balancing systems already use this information to balance the vehicle wheel.
  • acting forces can be measured on an engine, transmission or chassis suspension.
  • the senor is used, for example, in the form of a washer between the vibration-generating component, for example an engine or a chassis part, and a commercially available rubber-metal bearing.
  • the vibration-generating component for example an engine or a chassis part
  • a commercially available rubber-metal bearing it is also possible to coat the contact surface of the rubber-metal bearing directly with the sensor layer. In operation, the forces introduced into the bearing can then be measured as a function of time.
  • Such an arrangement can be used, for example, in experimental engineering.
  • the signal from the force sensor is processed in a control element, which then controls the actuator.
  • a control element which then controls the actuator.
  • vibrations can be actively suppressed. It can be used in all types of engine mounts, e.g. for road vehicles, airplanes and helicopters, boats and for stationary internal combustion engines.
  • use in suspension suspension is also an option. The coupling of structure-borne noise into the body is effectively reduced.
  • the senor is positioned in the support points (13, 14, 15, 16) of a motor vehicle seat, which are located within the rail 17 for seat adjustment. At each of these contact points there is a piezoresistive force-sensitive layer with which the local seat load is determined. The four measured values are evaluated individually by measuring the resistance. This allows the determination of the center of gravity of the load distribution of the seat, the weight of the Person and the respective center of gravity. The focus can be determined continuously.
  • This position information is fed to a control device for controlling airbags. The information can thus be combined with other parameters available in the above-mentioned device in order to monitor and optimize the deployment of airbags.
  • the force-sensitive layer is located on a washer 10, which is positioned between the wheel nuts or screws 11 and the rim 9 of a motor vehicle wheel 8, cf. Fig. 2a and Fig. 2b.
  • the wheel is installed on the front right of the vehicle.
  • the preload of the four screws at positions 3,4,5,6 is set to the same value using the force-sensitive washers before setting off.
  • the telemetrically recorded measuring point 1 delivers a signal during a left curve, as shown in FIG. 5 (lower curve).
  • the centripetal force is plotted here as the product of the vehicle mass m and the square of the speed v, normalized to the curve radius r on the x-axis and the signal of the respective sensors in on the y-axis.
  • the signal grows with increasing centripetal force, ie increasing curve speed or smaller curve radius at measuring point 1.
  • the signal strength at measuring point 2 decreases, see Fig. 5 (upper curve). This is due to the fact that the arrangement at measuring point 2 is relieved, since there the rim is pressed more strongly against the wheel suspension.
  • FIG. 6 the force-sensitive disks 10 are located between the rim 9 and the brake drum or the contact surface 18.
  • the wheel is installed on the front right and the vehicle again makes a left turn.
  • FIG. 7 shows the signal curve of both measuring points 1 and 2.
  • the centripetal force is again plotted on the x-axis and the signal of the respective sensors on the y-axis. It can be seen that the conditions are reversed in comparison to FIG. 5: now the sheet resistance at measuring point 1 increases with increasing steering radius and decreases accordingly at measuring point 2.
  • a voltage divider as in FIG. 8a can be used and the voltage curve can be measured at a reference resistor R ref .
  • An increase in sensitivity is on when a combination of the waveforms at the layer (U nsor Se) and the reference resistor (U ref) is evaluated.
  • the corresponding signal curve for the case of a wheel installation from FIG. 6 at the front right with a position of the coated washer between the rim and the brake drum is shown in FIG. 8b.
  • the x-axis shows the centripetal force again.
  • the force-sensitive disks can be used to determine whether a left or a right curve is being driven.
  • the above signals from measuring points 1 and 2 can be used to make a statement about the centrifugal force of the vehicle and about the load and grip of the tire. If, for example, the measured sheet resistance at measuring points 1 and / or 2 deviates significantly from the course of a calibration curve, it can be assumed that the tire has less grip or that the tire slides on the road. This information can be supplied to the anti-lock braking system or a slip control for improved control or regulation in order to increase driving safety.
  • a further deviation from the calibration curve is determined when there is less grip than normal conditions, for example because the tire pressure is too low.
  • the force dynamics are also different at low tire pressures than at normal tire pressures.
  • a deviation ascertained by the on-board computer as a result of the tire pressure being too low is used to output an optical and / or acoustic signal to the vehicle driver in order to increase traffic safety.
  • the sensor with the carbon layer with piezoresistive properties is integrated into the fastening devices of a motor vehicle engine.
  • the motor vibrates while driving, which can be determined as locally different and time-dependent loads at the fastening points.
  • the measured values are fed to a control unit which controls devices such as piezo actuators with which the vibrations can be actively counteracted.
  • the mechanical loads in the engine area are therefore lower. This increases the reliability of the vehicle and also the safety and comfort.

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Abstract

Vorrichtung zur Überwachung und/oder Steuerung und/oder Regelung eines Fahr- oder Flugzeugs, mit Mitteln zur Aufnahme einer Betriebszustandskenngrösse und einer Einrichtung zur Signalverarbeitung, dadurch gekennzeichnet, dass ein aus einer amorphen Kohlenstoffschicht mit piezoresistiven Eigenschaften bestehender Sensor verwendet wird.

Description

Patentanmeldung:
Vorrichtung und Verfahren zur Überwachung und Steuerung eines Fahrzeugs
Anmelderin:
Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung und/oder Überwachung und/oder Regelung von Fahrzeugen, Flugzeugen und Kraftmaschinen gemäß dem Oberbe- griff der unabhängigen Ansprüche 1 und 15. Durch Erfassung statischer oder dynamischer Kraftverteilungen und -verlaufe unter Verwendung einer diamantartigen Kohlenstoffschicht mit piezoresistiven Eigenschaften können auftretende Kräfte und Kraftverteilungen sowie deren zeitliche Änderung gemessen werden.
In der DE 199 54 164 AI wird der Einsatz einer diamantartigen KohlenstoffSchicht mit piezoresistiven Eigenschaften als Sensor zur Erfassung der lokalen Beanspruchung einer mechanischen Komponente gelehrt. Nach dieser Schrift kann die Messschicht auf einen Pressstempel aufgebracht werden, was die Messung der Stempelkraft erlaubt. Auch lokale Messungen in definierten Zonen der Stempelfläche können vorgesehen sein. Das eingesetzte Schichtmaterial ist als solches bekannt, und wird zum Beispiel in der EP 0 022 285 Bl oder der EP 0 087 836 Bl beschrieben. Dieses Schichtmaterial zeichnet sich insbesondere durch hohe Härte und Elastizität, hohe Ver- schleißbeständigkeit und extrem niedrige Reibwerte aus, und wird daher vielfach als Verschleißschutzschicht eingesetzt.
Bei der bekannten Schicht handelt es sich um eine Schicht aus diamantartigem Kohlenstoff. Bevorzugt sind hierbei amorphe Kohlenwasserstoffschichten (a-C.H-Schichten) , wasser- stofffreie amorphe Kohlenstoffschichten (a-C-Schichten) ,
Kohlenwasserstoffschichten mit einem Element X der 3. oder
4. Hauptgruppe des Periodensystems der Elemente (X-C:H-
Schichten) , oder metallhaltige Kohlenwasserstoffschichten
. (Me-C.H-Schichten) . Die Schichten können auch Anteile von Sauerstoff, Stickstoff oder Fluor enthalten.
Insbesondere die makroskopisch hohe Härte hat bei diesem Schichtmaterial dazu geführt, die daraus bestehenden Schichten als diamantähnliche Kohlenstoffschichten, bzw. englischsprachig als DLC-Schichten zu bezeichnen, wobei DLC für diamond like carbon steht. Im engeren Sinne sind unter DLC- Schichten die vorstehend genannten a-C.H-Schichten zu verstehen.
Auch das Reibverhalten, die elektrische Leitfähigkeit oder der Einfluss der relativen Luftfeuchtigkeit auf das Reibver- halten kann durch Zugabe weiterer chemischer Elemente im weitem Umfang eingestellt werden.
Die genannten Schichten lassen sich durch Gasphasenabschei- dung, und insbesondere mittels PVD- oder CVD-Verfahren leicht und kostengünstig abscheiden. Dadurch ist die Abscheidung auch auf gekrümmten Oberflächen mit komplizierter Oberflächengeometrie, wie auch Ecken oder Kanten, möglich.
Aus H.-P. Trah, MikroSystemtechnik im Automobil, Physik Journal 11/2002, Wiley-VCH, sind mikromechanische Sensoren zur Messung von translatorischen Beschleunigungen und Drehbeschleunigungen bekannt, welche sich für die Datenerfassung von Airbagsystemen und Fahrstabilitätsregelungen eignen.
Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, eine Vorrichtung zur Steuerung und/oder Regelung und/oder Überwa- chung verschiedener Fahr- und Flugzeugkomponenten für eine verbesserte Sicherheit und zur Steigerung des Komforts zu entwickeln. Weiter soll beim Transport von Gütern Information über die Ladung übermittelt werden. Dazu soll ein Sensor ohne Fugen, ohne Deformation oder konstruktive Änderun- gen in das zu überwachende Bauteil integriert werden.
Das Problem wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Überwachung und/oder Steuerung und/oder Regelung eines Fahr- oder Flugzeugs, mit Mitteln zur Aufnahme einer Betriebszustandskenngröße und einer Ein- richtung zur Signalverarbeitung, wobei ein aus einer amorphen Kohlenstoffschicht mit piezoresistiven Eigenschaften bestehender Sensor verwendet wird.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann dabei in vielen Arten von Fahrzeugen eingesetzt werden, z.B. in PKW, LKW, Baumaschinen, Gabelstaplern und Kränen. Weiterhin ist der Einsatz in Flugzeugen und Hubschraubern sowie in Booten, Schiffen und stationären Kraftmaschinen möglich.
Das Signal mindestens eines Sensors wird dabei einem Mikro- Prozessor, einem MikroController oder einer anderen analogen oder digitalen Auswerteschaltung zugeführt, welche bei ungünstigen Betriebsbedingungen entweder optische und/oder akustische Warnungen an den Bediener ausgibt oder ein Stellglied betätigt, welches einen Eingriff ausführt, um die un- günstige Betriebsbedingung zu korrigieren oder zu verhindern.
Der Sensor mit einer diamantartigen Kohlenstoffschicht mit piezoresistiven Eigenschaften ist an sich bekannt. Dieser Sensor bzw. die dazugehörige Schicht wird bzgl. seiner Her- Stellung, seiner chemischen Zusammensetzung, und seinen einstellbaren physikalischen Eigenschaften im Detail in der DE 199 54 164 AI beschrieben, auf die ausdrücklich Bezug genommen wird und die zum Inhalt der vorliegenden Erfindungsbeschreibung gemacht wird. Der hier verwendete Sensor zeichnet sich dadurch aus, dass er aus einer harten, verschleißfesten Schicht mit nur geringer Dicke aufgebaut werden kann. Durch die in der genannten Schrift beschriebenen Beschichtungsverfahren kann die Sen- sorschicht ohne zusätzliche Setzfugen oder konstruktive Änderungen in eine mechanische Vorrichtung integriert werden. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass der Sensor durch bekannte Methoden einfach kontaktiert und strukturiert werden kann.
Ein weiterer Teil der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Überwachung und/oder Steuerung und/oder Regelung eines Baugerätes oder einer Baumaschine mit Mitteln zur Aufnahme einer Betriebszustandskenngröße und einer Einrichtung zur Signalverarbeitung, wobei ein aus einer amorphen Kohlen- Stoffschicht mit piezoresistiven Eigenschaften bestehender Sensor verwendet wird.
Eine Baumaschine im Sinne dieser Erfindung ist ein fahrbares oder stationäres Baugerät wie Gabelstapler, Mischmaschinen Bagger, Steinbrechmaschinen oder Planier- und Verdichtungs- gerate.
Eine Weiterbildung der Erfindung ergibt sich, wenn die Betriebszustandskenngröße eine Kraftverteilung ist, welche mit mindestens zwei Sensoren bestimmt wird. Im Sinne der vorliegenden Weiterbildung der Erfindung wird die mechanische Belastung des Kraftfahrzeugs stets an mindestens zwei Stellen gemessen, und zwar in Form einer Kraftbzw. Druckmessung mit der piezoresistiven Schicht. Dadurch erhält man eine Information über eine Kraftverteilung, und bevorzugt über die Kraftverteilung innerhalb einer Fläche. Dabei wird im weitesten Sinne die mechanische Belastung des Kraftfahrzeugs erfasst. Mit dieser Kraftverteilung können dynamische und/oder statische Betriebszustandskenngrößen des Kraftfahrzeugs bestimmt werden.
Unter dynamischen Kenngrößen sollen vorliegend solche Kenngrößen verstanden werden, die vom Bewegungszustand des Kraftfahrzeugs abhängen bzw. ihn charakterisieren. Beispiele hierfür sind die auf ein Fahrzeug einwirkende Fliehkraft, die Reifenhaftung, die Unwucht der Räder oder ähnliches.
Statische Kenngrößen sind entsprechend vom Bewegungszustand unabhängig. Beispiele hierfür sind die Lastverteilung auf der Ladefläche aines LKWs, die Lastverteilung eines Krans oder eines Gabelstaplers, die Gewichtsverteilung auf einem Autositz oder die Belastung einer Flugzeugtragfläche.
Eine Kraftverteilung in mehreren Dimensionen kann bestimmt werden, wenn ein Sensor zwischen einem auf oder in einer Schiene beweglichen Formteil und der das Formteil führenden Schiene angeordnet ist. Bei einer Anordnung nach Fig. la ist dann die Messung der Kraftkomponenten in verschiedenen Richtungen x und y und die Bestimmung eines Drehmoments möglich. Dabei sind für jede Raumrichtung zwei Sensoren 1 und l bzw 2 und 2λ vorgesehen, so dass eine konstante Last in x-Richtung ein identisches Signal in den beiden Sensoren 2 und 2 % der x-Richtung hervorruft. Entsprechendes gilt für die zwei Sensoren in y- Richtung. Eine Differenz zwischen den Sensoren 2 und 2λ zeigt ein Drehmoment um die Achse y an, welches aus der Kraftdifferenz und" -dem bekannten Abstand bestimmt werden kann.
Fig. lb zeigt den Schnitt durch eine Schiene in C-Form 17, welche ein Befestigungselement 19 enthält, dass entlang der Schiene verschieblich ist. Durch Beschichtung der Schiene oder des Befestigungselementes mit der kraftsensorischen Schicht 1, r, lXλ können die eingeleiteten Kräfte in mehreren Richtungen gemessen werden.
In gleicher Weise kann dieses Prinzip auf alle formschlüssigen Verbindungselemente angewandt werden, wie z.B. Schwal- benschwanzVerbindungen, vergl. Fig. lc und Id.
Die beschriebene Vorrichtung kann dazu verwendet werden, dass als Betriebszustandskenngröße die Lastverteilung auf einer Ladefläche oder die Belastung einer Flugzeugtragfläche erfasst wird. Die Betriebszustandkenngröße wird in diesem Fall durch ein Array von Messwerten innerhalb einer Fläche definiert. So kann bei einer Flugzeugtragfläche die Gesamtfläche gedanklich in einzelne Teilflächen zerlegt werden und in jeder Teilfläche ein Kraftsensor platziert werden. In der Summe erhält man dann die lokale Druckbelastung in der Flugzeugtragfläche. Bei einer Veränderung der lokalen Druckbelastung, zum Beispiel infolge Materialermüdung, bei Vereisung der Tragfläche während des Fluges oder einem Abriss • der Strömung kann bei Über- oder Unterschreiten eines vorgegebenen Grenz- bzw. Schwellenwertes ein optisches und/oder akustisches Warnsignal ausgegeben oder über einen Eingriff in die Flugzeugsteuerung entsprechende Gegenmaßnahmen eingeleitet werden. Auf diese Weise wird die Flugzeugsicherheit wunschgemäß erhöht.
Durch ein derartiges Vorgehen lässt sich auch die Lastverteilung innerhalb einer Ladefläche bestimmen, z.B. die eines LKW's. Bei kontinuierlicher Messung kann auf diese Weise überwacht werden, ob sich die Lastverteilung während der Fahrt ändert, was bei einem Verrutschen der Ladung der Fall sein wird. Es bietet sich in diesem Fall an, dass die Be- triebszustandskenngröße „Lastverteilung innerhalb der Ladefläche" einem Bordcomputer zugeführt wird, und bei Überschreiten eines vorgebbaren Grenzwerts ein akustisches und/oder optisches Signal ausgegeben wird. Auf diese Weise kann die Fahrzeugsicherheit wunschgemäß erhöht werden.
Eine weiteres mögliches Anwendungsfeld ist die Beladung von Fahrzeugen. So kann beispielsweise bei Gabelstaplern, Con- tainerverladeeinrichtungen und stationären oder mobilen Mischmaschinen mithilfe der Erfindung die aktuelle Last und deren Schwerpunktlage kontrolliert werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung liefert damit zusätzlich eine Aussage über das Gesamtgewicht des Transportgutes und ermöglicht damit, die Daten für Materialfluss und Logistik direkt bei der Beladung zu erheben. So entfällt der zusätzliche Aufwand, der entsteht indem das Ladegut einer separaten Wiegeeinrichtung zugeführt werden muss.
In einer weiteren Verwendung kann als Betriebszustands- kenngröße die Belastung oder die Lastverteilung eines KfZ- Sitzes erfasst werden.
Die Betriebszustandkenngröße kann als zweidimensionale Größe den Schwerpunkt einer Gewichtsverteilung in einer Ebene repräsentieren, so zum Beispiel den Schwerpunkt der Belastung eines Autositzes bezogen auf ein vorgegebenes Koordinatensystem innerhalb derjenigen Ebene, die durch die Auflagepunkte für die Sitzbefestigung wie z.B. eine Stütze oder die Schienen der Sitzbefestigung definiert wird, vergl. Fig. 4. Diese Information lässt sich dazu verwenden, dass die gemessene Belastung oder die Lastverteilung einer Einrichtung zur Steuerung von Airbags zugeführt wird.
Die Schwerpunktsbestimmung der Lastverteilung des Autositzes kann kontinuierlich erfolgen. Diese Positionsinformation wird zusammen mit der Masse des Fahrgastes einer Kontrollbzw. Steuerungseinrichtung zur Steuerung von Airbags zugeführt. So kann die Information mit anderen, der oben genannten Einrichtung verfügbaren Parametern kombiniert werden um die Auslösung von Airbags zu überwachen und zu optimieren. So besteht die Möglichkeit, den Airbag kontrolliert zu entfalten, wenn der Fahrgast im Moment des Unfalls nach vorne gebeugt und entsprechend nah an der Airbageinheit platziert ist.
Ein weiterer Anwendungsbereich ergibt sich wenn die Kraftverteilung an der Radbefestigung eines Kraftfahrzeuges gemessen wird.
Die kraftsensorische Schicht befindet sich dabei beispielsweise auf einer Unterlegscheibe 10, welche zwischen den Rad- muttern oder Schrauben 11 und der Felge 9 eines KfZ-Rads 8 positioniert ist, vgl. Fig. 2a und Fig. 2b. Eine Positionierung des Kraftsensors zwischen Felge 9 und Anlagefläche 18 der Felge am Fahrzeug ist ebenfalls möglich, vergl. Fig. 6. Dies kann auch durch eine Beschichtung eines Fahrzeugbauteils erfolgen.
Eine alternative Ausführung ist in Fig. 3 dargestellt. Hierbei ist die Sensorschicht 10 auf einem Konus 12 angeordnet. Dadurch können auftretende Kräfte in horizontaler und vertikaler Richtung gemeinsam gemessen werden. Ist ein zusätzlicher Sensor 10* vorhanden, welcher die horizontale Komponente der Kraft bestimmt, so kann die vertikale Komponente leicht errechnet werden1.-*
Diese Anordnungen der Sensoren erlaubt, dass Beschleunigungen, Radschlupf, die Unwucht eines KfZ-Rades oder ein zu geringer Reifendruck des KfZ-Rades festgestellt werden.
Wird z.B. eine Kurve durchfahren, so tritt beim kurveninneren Rad an den Radmuttern bzw. Schrauben, welche sich unter- halb der Radachse des Fahrzeugs befinden, eine Zugkraft auf, an den Radmuttern bzw. Schrauben, welche sich oberhalb der Achse befinden entsprechend eine Druckkraft. In Abhängigkeit von der Lage der Kraftsensoren wird dies einmal als Be- und einmal als Entlastung detektiert. Am kurvenäußeren Rad keh- ren sich die Verhältnisse entsprechend um. Somit kann bestimmt werden, ob aktuell eine Rechts- oder Linkskurve durchfahren wird. Liegt eine Kalibrierung der Sensoren vor, kann auch direkt die Zentripetalkraft bestimmt werden. Sind die Masse des Fahrzeugs und die gefahrene Geschwindigkeit bekannt, so kann aus der Zentripetalkraft der Kurvenradius bestimmt werden. Abweichungen von dieser Kalibrierkurve können dann dem Auftreten von Radschlupf oder einem geringen Reifendruck zugeordnet werden.
Zusätzlich kann während der Raddrehung der Schwerpunkt der Kraftverteilung in der durch die Radmuttern aufgespannten Ebene bestimmt und hierüber eine Unwucht des Rades am Fahrzeug im Betrieb erkannt werden. Bekannte Wuchtsysteme nutzen diese Information bereits zum Auswuchten des KfZ-Rades.
Durch Integration des Sensors in einen Aggregateträger können einwirkende Kräfte an einer Motor-, Getriebe- oder Fahr- werksaufhängung gemessen werden.
Dazu wird der Sensor beispielsweise in Form einer Beilagscheibe zwischen das Schwingungserzeugende Bauteil, zum Bei- spiel ein Motor oder ein Fahrwerksteil, und ein handelsübliches Gummi-MetalHager eingesetzt. Alternativ ist auch die direkte Beschichtung der Auflagefläche des Gummi- Metalllagers mit der Sensorschicht möglich. Im Betrieb können dann die in die Lagerung eingeleiteten Kräfte zeitabhän- gig gemessen werden. Eine solche Anordnung kann beispielsweise im Versuchswesen Verwendung finden.
Die Erweiterung der vorstehenden Lagerung durch ein aktives Stellelement, z.B. ein Piezo-Positionierungssystem, bewirkt, dass eine aus der einwirkenden Kraft bestimmte Gegenkraft eingeleitet wird.
Das Signal des Kraftsensors wird dazu in einem Regelglied verarbeitet, welches dann das Stellglied ansteuert. Mit ei- nem so aufgebauten Lager können Vibrationen aktiv unterdrückt werden. Die Anwendung ist in Motorlagerungen aller Art möglich, so z.B. bei Straßenfahrzeugen, Flugzeugen und Hubschraubern, Booten und bei stationären Brennkraftmaschinen. Bei Straßenfahrzeugen kommt darüber hinaus der Einsatz in der Fahrwerksaufhängung in Betracht. Dabei wird die Ein- kopplung von Körperschall in die Karosserie wirksam gemindert.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Ausführungsbei- spielen näher erläutert werden.
1.Ausführunσsbeispiel
In einem ersten Ausführungsbeispiel wird gem. Fig. 4 der Sensor in den Auflagepunkten (13,14,15,16) eines KfZ-Sitzes positioniert, welche sich innerhalb der Schiene 17 zur Sitzverstellung befinden. An diesen Kontaktpunkten befindet sich je eine kraftsensorische Schicht in piezoresistiver Ausführung mit der jeweils die lokale Sitzbelastung ermittelt wird. Die vier Messwerte werden einzeln durch Messung des Widerstandes ausgewertet. Dies erlaubt die Bestimmung des Schwerpunkts der Lastverteilung des Sitzes, das Gewicht der Person und die jeweilige Schwerpunktlage. Die Schwerpunktsbestimmung kann kontinuierlich erfolgen. Diese PositionsInformation wird einer Kontroll- bzw. Steuerungseinrichtung zur Steuerung von Airbags zugeführt. So kann die Information mit anderen der oben genannten Einrichtung verfügbaren Parametern kombiniert werden, um die Auslösung von Airbags zu überwachen und zu optimieren. So kann bei einem leichtgewichtigen Fahrgast die Auslösung mit weniger Druck erfolgen, um den Passagier nicht zu verletzen. Auch besteht die Mög- lichkeit, den Airbag mit weniger Drück zu entfalten, wenn der Fahrgast im Moment des Unfalls nach vorne gebeugt und entsprechend nah an der Airbageinheit platziert ist.
2.Ausführungsbeispiel
Die kraftsensorische Schicht befindet sich auf einer Unter- legscheibe 10, welche zwischen den Radmuttern oder Schrauben 11 und der Felge 9 eines KfZ-Rads 8 positioniert ist, vgl. Fig. 2a und Fig. 2b. Das Rad wird am Fahrzeug vorne rechts eingebaut. Die Vorspannung der vier Schrauben an den Positionen 3,4,5,6 wird vor Fahrtantritt mit Hilfe der kraftsenso- rischen Unterlegscheiben auf den gleichen Wert eingestellt.
Die telemetrisch erfasste Messstelle 1 liefert während einer Linkskurve ein Signal, wie es in Fig. 5 (untere Kurve) dargestellt ist. Aufgetragen ist hier die Zentripetalkraft als Produkt von Fahrzeugmasse m und dem Quadrat der Geschwindig- keit v, normiert auf den Kurvenradius r auf der x-Achse und das Signal der jeweiligen Sensoren in auf der y-Achse. Mit zunehmender Zentripetalkraft, d.h. zunehmender Kurvengeschwindigkeit oder kleinerem Kurvenradius, wächst das Signal an Messstelle 1 an. Umgekehrt nimmt die Signalstärke an der Messstelle 2 ab, siehe Fig. 5 (obere Kurve) . Dies ist darin begründet, dass die Anordnung an der Messstelle 2 eine Entlastung erfährt, da dort die Felge stärker an die Radaufhän- gung gepresst wird.
In Fig. 6 befinden sich die kraftsensorischen Scheiben 10 zwischen der Felge 9 und der Bremstrommel bzw. der Anlagefläche 18. Das Rad ist vorne rechts eingebaut und das Fahrzeug fahre erneut eine Linkskurve. Den Signalverlauf beider Messstellen 1 und 2 zeigt Fig. 7. Aufgetragen ist wiederum die Zentripetalkraft auf der x-Achse un das Signal der jeweiligen Sensoren auf der y-Achse. Man erkennt, dass sich hier die Verhältnisse im Vergleich zu Fig. 5 umkehren: nun wächst der Schichtwiderstand an Messstelle 1 mit zunehmendem- Lenkradius und nimmt an Messstelle 2 entsprechend ab.
Um die Empfindlichkeit der Messung zu steigern kann ein Spannungsteiler wie in Fig. 8a eingesetzt werden und der Spannungsverlauf an einem Referenzwiderstand Rref gemessen werden. Eine Empfindlichkeitssteigerung stellt sich ein, wenn eine Kombination der Signalverläufe an Schicht (USensor) und am Referenzwiderstand (Uref) ausgewertet wird. Den entsprechenden Signalverlauf für den Fall eines Radeinbaus aus Fig. 6 vorne rechts mit einer Position der beschichteten Unterlegscheibe zwischen Felge und Bremstrommel zeigt Fig. 8b. Die x-Achse zeigt wieder die Zentripetalkraft.
Zum einen kann somit mit den kraftsensorischen Scheiben festgestellt werden ob eine Links- oder eine Rechtskurve gefahren wird. Unter Zuhilfenahme kalibrierter Messkurven können die o.g. Signale von den Messstellen 1 und 2 herangezogen werden um eine Aussage über die Fliehkraft des Fahrzeugs und darüber über die Belastung und Haftung des Reifens gemacht werden. Weicht zum Beispiel der gemessene Schichtwiderstand an den Messstellen 1 und/oder 2, signifi- kant vom Verlauf einer Kalibrierkurve ab, so kann von einer geminderten Reifenhaftung bzw. einem Gleiten des Reifens auf der Fahrbahn ausgegangen werden. Diese Information kann dem Antiblockiersystem oder einer Schlupfregelung zur verbesserten Steuerung bzw. Regelung zugeführt werden um die Fahrsicherheit zu erhöhen.
Eine weitere Abweichung von der Kalibrierkurve wird dann festgestellt, wenn eine gegenüber Normalbedingungen verminderte Reifenhaftung vorliegt, so zum Beispiel wegen zu geringen Reifendrucks . In einer Kurvenfahrt fällt zudem die Kraftdynamik bei geringem Reifendruck anders aus als bei einem Normreifendruck. Eine vom Bordcomputer festgestellte Abweichung infolge zu niedrigen Reifendrucks wird dazu genutzt an den Fahrzeugführer ein optisches und/oder akustisches Signal auszugegeben um die Verkehrssicherheit zu erhöhen.
4.Ausführungsbeispiel
Der Sensor mit der Kohlenstoffschicht mit piezoresistiven Eigenschaften wird in die Befestigungsvorrichtungen eines Kfz-Motors integriert. Während der Fahrt kommt es zu zu Schwingungen des Motors, welche sich als lokal unterschied- liehe und zeitabhängige Belastungen an den Befestigungsstellen bestimmen lassen. Die Messwerte werden einer Kontrolleinheit zugeführt, welche Vorrichtungen wie beispielsweise Piezoaktoren ansteuert mit welchen den Schwingungen aktiv entgegengewirkt werden kann. Die mechanischen Belastungen im Motorbereich fallen damit geringer aus. Damit wird die Zuverlässigkeit des Fahrzeugs bzw. auch die Sicherheit und der Komfort erhöht.

Claims

Ansprüche
1. Vorrichtung zur Überwachung und/oder Steuerung und/oder Regelung eines Fahr- oder Flugzeugs, mit Mitteln zur Aufnahme einer Betriebszustandskenngröße und einer Einrich- tung zur Signalverarbeitung, dadurch gekennzeichnet, dass ein aus einer amorphen Kohlenstoffschicht mit piezoresistiven Eigenschaften bestehender Sensor verwendet wird.
2. Vorrichtung zur Überwachung und/oder Steuerung und/oder Regelung eines Baugerätes oder einer Baumaschine mit
Mitteln zur Aufnahme einer Betriebszustandskenngröße und einer Einrichtung zur Signalverarbeitung, dadurch gekennzeichnet, dass ein aus einer amorphen KohlenstoffSchicht mit piezoresistiven Eigenschaften bestehender Sensor ver- wendet wird.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebszustandskenngröße eine Kraftverteilung ist, welche mit mindestens zwei Sensoren bestimmt wird.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung vorhanden ist, welche die Betriebszustandskenngröße mit einem vorgebbaren Grenzwert vergleicht und bei Überschreiten des Grenzwertes der Betriebszustandskenngröße ein akustisches und/oder optisches Signal ausgibt.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung vorhanden ist, welche ein der Betriebszustandskenngröße zugeordnetes Regelsignal ausgibt und dieses einem Aktor zuführt.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sensor zwischen einem auf oder in einer Schiene beweglichen Formteil und der das Formteil führenden Schiene angeordnet ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 , dadurch gekennzeichnet, dass als Betriebszustandskenngröße die Lastverteilung auf einer Ladefläche oder die Belastung einer Flugzeugtragfläche erfasst wird.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 , dadurch ge- kennzeichnet, dass der Schwerpunkt oder die Masse eines Transportgutes erfasst wird.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftverteilung an der Radbefestigung eines Kraftfahrzeuges gemessen wird.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass Beschleunigungen, Radschlupf, die Unwucht eines KfZ- Rades oder ein zu geringer Reifendruck des KfZ-Rades festgestellt werden.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Betriebszustandskenngröße die
Belastung oder die Lastverteilung eines KfZ-Sitzes erfasst wird.
12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gemessene Belastung oder die Lastverteilung einer Einrichtung zur Steuerung von Airbags zugeführt wird.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 , dadurch gekennzeichnet, dass einwirkende Kräfte an einer Motoroder Fahrwerksaufhängung gemessen werden.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine aus der einwirkenden Kraft bestimmte Gegenkraft eingeleitet wird.
15. Verfahren, bei welchem mittels eines mit einer Kohlenstoffschicht mit piezoresistiven Eigenschaften versehenen Sensors eine Betriebszustandskenngröße eines Fahr- oder Flugzeugs ermittelt und zur Überwachung oder Steuerung oder Regelung dieses Fahr- oder Flugzeugs herangezogen wird.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebszustandskenngröße eine Kraftverteilung ist.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebszustandskenngröße einer Einrichtung zugeführt wird, welcher ein Regelsignal errechnet und dieses einem Aktor zuführt oder bei Über- schreiten eines vorgebbaren Grenzwertes der Betriebszustandskenngröße ein akustisches und/oder optisches Signal ausgibt.
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