WO2024068064A1 - Sensorvorrichtung für ein verbundbauteil, unterfahrschutz mit einer solchen sensorvorrichtung und verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

Sensorvorrichtung für ein verbundbauteil, unterfahrschutz mit einer solchen sensorvorrichtung und verfahren zu dessen herstellung Download PDF

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WO2024068064A1
WO2024068064A1 PCT/EP2023/067773 EP2023067773W WO2024068064A1 WO 2024068064 A1 WO2024068064 A1 WO 2024068064A1 EP 2023067773 W EP2023067773 W EP 2023067773W WO 2024068064 A1 WO2024068064 A1 WO 2024068064A1
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WO
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sensor
sensor device
contacting
wires
underrun protection
Prior art date
Application number
PCT/EP2023/067773
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English (en)
French (fr)
Inventor
Oliver Stoll
Frieder Uerlings
Original Assignee
Audi Ag
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Audi Ag filed Critical Audi Ag
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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B7/00—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques
    • G01B7/16—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. by resistance strain gauge
    • G01B7/18—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. by resistance strain gauge using change in resistance

Definitions

  • the invention relates to a sensor device for a composite component, in particular for an underrun protection.
  • the invention further relates to an underrun protection designed as a composite component for a motor vehicle with such a sensor device and a method for producing it.
  • a composite component such as in particular a so-called underrun protection or underbody protection for a motor vehicle, can be equipped with at least one sensor device, which is intended in particular to detect an accident-related deformation of the composite component, which may also indicate damage to surrounding components or assemblies.
  • the sensor device can have at least one sensor wire or the like, which functions as a deformation sensor.
  • Such a sensor wire must be electrically contacted or connected in a suitable manner in order to electrically connect it, for example, to a control device, which can also be referred to as external electrical contacting.
  • DE 10 2017 206 663 A1 describes a protective plate intended for use on a battery housing of an electric vehicle, which is made, for example, of a plastic.
  • the protective plate has at least one deformation sensor.
  • the deformation sensor comprises an electrically conductive coating which is applied to the protective plate.
  • the electrically conductive coating is a conductor track which is located between a first terminal and a second terminal.
  • the deformation sensor is connected to an evaluation circuit via the first terminal and the second terminal.
  • DE 102021 106 171.7 describes a composite component, preferably designed as an underbody component, with a sensor wire.
  • a metal plate electrically connected to the sensor wire can be provided at a contacting point or a contacting area of the sensor wire.
  • the sensor wire is preferably sewn or embroidered to the metal plate.
  • the invention is based on the object of providing a robust sensor device for a composite component which has several sensor wires and which enables a particularly simple external electrical contacting of the sensor wires.
  • the sensor device according to the invention which can also be referred to as a deformation sensor device, comprises at least the following components:
  • the sensor device according to the invention a particularly simple, i.e. H. enables both easy-to-design and easy-to-produce external electrical contacting of all sensor wires.
  • External electrical contacting of the or all sensor wires means in particular a large number of external electrical contacts, which is not explicitly differentiated below.
  • the sensor device according to the invention is also robust, since the circuit board is insensitive to mechanical stresses due to its flexible properties (see below).
  • the invention also has economic advantages and is also advantageous for process-reliable automation of various manufacturing processes or steps.
  • the flat carrier (hereinafter also referred to as carrier) is preferably a flat textile (sensor textile) or a textile fabric. In particular, it is a nonwoven fabric or a nonwoven fabric or something similar.
  • the textile or nonwoven fabric is made in particular from glass fibers.
  • the carrier can be comparatively thin and have a thickness of just a few tenths of a millimeter.
  • the sensor wires can have a diameter of 50 pm to 150 pm. These are preferably metallic sensor wires, in particular so-called resistance wires.
  • the sensor wires are laid on the carrier with predetermined courses, for example meander-like courses, and are attached to the carrier in a suitable manner, for example glued or embroidered.
  • the sensor wires are intended to record or detect any deformation, in particular accident-related deformation, of the composite component (deformation is often accompanied by an impairment of the structural integrity), whereby quantification is also possible if necessary. This is done in particular by detecting changes in electrical resistance due to deformation-related changes in the length of the sensor wires.
  • the sensor wires thus function as deformation sensors and can therefore also be referred to as deformation sensor wires. Using multiple sensor wires reduces the risk of complete failure of deformation detection.
  • the area-by-area arrangement of the sensor wires also enables deformation to be localized.
  • connection device is also arranged on the carrier and is preferably attached to the carrier in a suitable manner, for example sewn, embroidered or glued.
  • the connection device can also be referred to as a contacting device.
  • the connection device is intended for the external electrical contacting of all sensor wires and can therefore also be referred to as a central connection device, regardless of their positioning on the carrier. (As already mentioned, external electrical contacting of all sensor wires means in particular a large number of external electrical contacts.) All sensor wires are preferably laid in such a way that their wire ends are located on the connection device, i.e. that is, the sensor wires are each led away from the connection device and returned in a loop.
  • connection device is designed as a flexible circuit board or has a flexible circuit board.
  • a flexible circuit board (hereinafter also referred to as circuit board) is made of a flexible and/or stretchable insulating material, in particular a plastic film or a textile fabric or the like, and conductor tracks made of an electrically conductive material, in particular copper or a copper alloy, applied thereto or possibly also incorporated therein.
  • the flexible circuit board is, in contrast to a rigid circuit board can be deformed without affecting its function, which reduces mechanical stresses that occur, for example, during the manufacturing process of the composite component or when placing contacting auxiliary elements, which can lead to damage (e.g. breaks and wire tears).
  • the flexible circuit board is preferably rectangular and in particular has dimensions of no more than 30 mm x 100 mm.
  • the (flexible) circuit board has a plurality of contacting elements electrically connected to the sensor wires, which can also be referred to as internal contacting elements due to their intended arrangement in the composite component.
  • These (internal) contacting elements are provided as contacting points or connection points in order to electrically contact the sensor wires from the outside and in particular to electrically connect them to a control device, which in particular means an evaluation and/or control unit.
  • externally placed contacting auxiliary elements which can also be referred to as external contacting elements, can be provided, which are/are electrically conductively connected to the (internal) contacting elements of the connection device.
  • two contacting elements are provided on the connection device or circuit board for each sensor wire of the sensor device, with which in particular the respective wire ends (sensor wire ends) are connected in an electrically conductive manner.
  • the respective wire ends sensor wire ends
  • the contacting elements are preferably arranged in a row on the circuit board. In other words: the contacting elements are arranged adjacent to one another in such a way that they lie on a line. The external contacting can thus be made more easily, especially if the external contacting, i.e. the making of the external contacting, is carried out automatically.
  • the flexible circuit board preferably has several separate, i.e. electrically unconnected, conductor tracks that electrically connect the sensor wires, in particular their wire ends, to the contacting elements.
  • These conductor tracks preferably each have a first contact surface to which at least one wire end (sensor wire end) is electrically connected, and a second contact surface for external electrical contacting.
  • the sensor wires or their wire ends are in particular soldered to the first contact surfaces or are otherwise electrically connected to the first contact surfaces in another suitable manner or are attached to the first contact surfaces.
  • the second contact surfaces can be designed directly as contacting elements.
  • the contacting elements are preferably designed or formed as contacting plates or metal plates in order to ensure sufficient connection quality, in particular a stable contact resistance.
  • These contacting plates are preferably soldered to the circuit board, in particular to the second contact surfaces, or are otherwise electrically connected to the second contact surfaces in another suitable manner or are attached to the second contact surfaces.
  • the contacting sheets can have a thickness (sheet thickness) of several tenths of a millimeter, e.g. up to 0.5 mm or even up to 1.0 mm.
  • an “electrically conductive connection” (hereinafter also referred to as “electrical connection”) is understood to mean, in particular, a galvanic connection, ie a current-conducting mechanical connection, between the connected electrical components.
  • electrical connection is understood to mean, in particular, a galvanic connection, ie a current-conducting mechanical connection, between the connected electrical components.
  • electrically conductively connected hereinafter also only referred to as “electrically connected”.
  • Electrical contacting is understood to mean an electrically conductive connection between electrical components that is created using suitable contacting or connection means.
  • electrically conductive connection or “electrically conductive connection” and “electrical contacting”, in particular “external electrical contacting”, refer to both a single connection or contacting as well as to a large number of connections or contactings, For the purpose of linguistic simplification, there is sometimes no distinction made between singular (singular) and plural or multiplicity (plural).
  • the sensor device according to the invention which can also be referred to as a sensor arrangement due to the arrangement of several sensor wires on a carrier, is intended for use in a composite component, in particular a flat, i.e. essentially two-dimensional, composite component.
  • a composite component is a component made from several materials.
  • a composite component is in particular a component made at least partially from fiber-plastic composite material, which can also be referred to as a fiber-plastic composite component. It is therefore preferably a fiber-plastic composite component, preferably a thermoplastic fiber-plastic composite component, which is made up in particular of several layers. In particular, it is a sandwich component with an inner core layer and two outer cover layers.
  • the sensor device according to the invention can be provided as a prefabricated intermediate product and integrated into the composite component during production, in particular into the layer structure.
  • Such a composite component is preferably designed as underrun protection or underbody protection for a motor vehicle.
  • an underrun protection designed as a composite component has at least one sensor device according to the invention, which is located in particular inside the underrun protection or in the underrun protection is integrated.
  • the underrun protection is preferably designed as a shell-like sandwich component with a core layer and two cover layers, the sensor device being arranged in particular in one of the cover layers or between the core layer and one of the cover layers.
  • the underrun protection is intended in particular to protect a traction battery installed on the motor vehicle.
  • the sensor device can then be used to detect or detect a deformation of the underrun protection that endangers the traction battery or its battery modules.
  • underrun protection also apply analogously to a composite component, in particular to a flat and/or shell-like composite component that is not designed as an underrun protection.
  • External connecting wires mean electrically conductive wires or the like that are not arranged inside the composite component or underrun protection.
  • the external connecting wires can be formed at least in sections with insulation, for example an insulating varnish or a sheath, and can therefore also be referred to as connecting cables.
  • the external connecting wires can be attached at least in sections to the composite component or underrun protection.
  • an external connecting wire is provided for each contacting element of the connection device or circuit board.
  • An electrically conductive connection between the external connecting wires and the contacting elements of the connection device or circuit board of the sensor device can be achieved by means of auxiliary contacting elements that are set externally, i.e. are/are applied or inserted from the outside. Metallic screws, rivets, friction welding elements, friction nails or similar are particularly suitable as contacting aids.
  • the relevant or sensor-side wire ends of the Connecting wires (connecting wire ends), cable lugs or the like can be provided.
  • the relevant or sensor-side wire ends (connecting wire ends) of the external connecting wires can also be soldered to the contacting elements on the flexible circuit board.
  • a control device which in particular means an electrical or electronic evaluation and/or control unit, is preferably provided for the sensor device, which is electrically connected to the sensor device in particular by means of or with the aid of the external connecting wires or is electrically conductively connected to the sensor device.
  • control device by which is meant an electrically conductive connection between the control device and the sensor device or its sensor wires brought about by connection means
  • connection means can be carried out virtually directly, i.e. i.e., the outer connecting wires are laid from the connection device or the flexible circuit board to the control unit.
  • Multiple connector which is preferably designed as a multiple coupling, is provided.
  • the multiple connecting element is preferably arranged in an area that is not critical in terms of mechanical danger and media influence.
  • the multiple connection element can be arranged on an elevation analogous to the control unit (see below).
  • the multiple connecting element is fastened, for example, by means of an adhesive, screw or snap or click connection.
  • the outer connecting wires are laid starting from the connecting device or the flexible circuit board only up to the multiple connecting element.
  • the electrical connection between the multiple connection element and the control unit can then be accomplished via a multi-core cable, for example a ribbon cable can be designed with at least one plug connection element for connection to the multiple connection element and / or the control device. The connection or connection effort is thereby reduced.
  • the control unit is preferably arranged on the underrun protection, in particular in an area that is not critical in terms of mechanical hazards, and is attached to the underrun protection in a suitable manner.
  • the attachment is made, for example, by means of an adhesive, screw or snap or click connection.
  • control device is arranged at a distance of not more than 200 mm, in particular not more than 100 mm, from the connection device or the flexible circuit board of the sensor device, so that the outer connection wires are as short as possible and thereby any interference (on the analog signals) are minimized.
  • the control unit is preferably arranged on the inside of the underrun protection (facing away from the road), in particular on an elevation, which is designed, for example, by means of ribs or as a plateau, in order to avoid possible media influence, in particular danger from water or other media accumulation, or at least to reduce.
  • the control unit is preferably arranged in the immediate vicinity of the screwing or fastening points of the underrun protection (the same preferably also applies analogously to the multiple connecting element).
  • the method according to the invention for producing an underrun protection designed as a composite component comprises at least the following steps:
  • a sensor device according to the invention is also introduced into the layer structure, in particular in such a way that it is located between two layers or within a layer;
  • the sensor device including the connecting device, being inserted into the composite component or the underrun protection is integrated, in particular completely integrated.
  • the sensor device then forms a sensor layer or deformation sensor layer within the composite component or underrun protection.
  • the plastics used are in particular thermoplastics.
  • the reinforcing fibers of the fiber-reinforced plastic are, in particular, glass fibers.
  • the semi-finished fiber products used are preferably fiber textiles, which are made in particular from glass fibers.
  • the semi-finished fiber products or fiber textiles can be pre-impregnated with a plastic, in particular a thermoplastic.
  • pressing which is in particular hot pressing
  • the layers or layers of the previously created layer structure are connected to one another in a material and form-fitting manner and the shape or shape of the underrun protection is formed, with additional elements (e.g. ribs, brackets, spacers, an increase for the control unit and the like) can be formed.
  • the layer structure is preferably pressed in a press-bound pressing tool.
  • the underrun protection can have dimensions of up to 1500mm x 2000mm and more, with a preferred thickness (total thickness) of just 5mm to 10mm.
  • LFT long fiber reinforced thermoplastic
  • the sensor device is preferably arranged between the layers of one of the cover layers during stack formation and is thus integrated into the relevant cover layer.
  • the method according to the invention may further comprise the step:
  • the external electrical contact i.e. the establishment of the external electrical contact
  • the electrical contact is done automatically, in particular with the help of a robot device or the like.
  • the flexible circuit board including the contacting elements for the external electrical contacting is located inside the composite component or underrun protection, so that access to the contacting elements must be created for the external electrical contacting.
  • the contacting elements located on or on the flexible circuit board can be exposed after pressing and/or auxiliary contacting elements can be used.
  • Contacting auxiliary elements are, for example, metallic screws, rivets, friction nails or dome elements or the like, which can also be placed from the outside or externally without first exposing the contacting elements.
  • the position of the flexible circuit board integrated into the component i.e. located inside the composite component or underrun protection, is subject to manufacturing-related fluctuations. Fixed position specifications are unsuitable for locating the flexible circuit board and the contacting elements arranged on it.
  • at least one magnetic element is arranged on or at the flexible circuit board of the connection device, which forms a (magnetically detectable) reference point and enables (magnetic) localization from the outside.
  • at least two magnetic elements are provided on or at the flexible circuit board. Localization and, if necessary, alignment can also be referred to as calibration. Calibration is carried out in particular in an automated manner. After localization and If necessary, all contacting elements can be aligned externally without any further effort, which is done in particular automatically.
  • magnetic contacting plates also enables their localization from the outside through magnetic detection. If the electrical contact is created or produced without any significant delay after hot pressing of the layer structure, the localization can also be carried out using a thermal imaging camera or the like (metallic components cool down more slowly than plastic materials). Furthermore, it can be provided that transparent plastic material is used locally in the area of the flexible circuit board, at least in the area of the contacting elements, so that visual localization is possible.
  • transparent plastic material is used locally in the area of the flexible circuit board, at least in the area of the contacting elements, so that visual localization is possible.
  • the contact elements located on or on the flexible circuit board can be exposed after pressing, so that free access is created.
  • the exposure can be carried out by a milling process, which is carried out in such a way that the contact elements are bare after milling.
  • the measures described above can also be helpful here in order to determine the area to be exposed or milled off.
  • the method according to the invention may further comprise the step:
  • Fig. 1 shows the layer structure of an underrun protection with an integrated sensor device.
  • Fig. 2 shows the sensor device used in the underrun protection of Fig. 1 with several sensor wires.
  • Fig. 3 shows the connection device provided for the external electrical contacting of the sensor wires on the sensor device of Fig. 2.
  • Fig. 4 shows the flexible circuit board belonging to the connection device of Fig. 3.
  • Fig. 5 shows a section of the upper side of the underrun protection of Fig. 1 with exposed contacting elements belonging to the connection device of Fig. 3.
  • Fig. 6 shows the electrical connection of a control unit attached to the underrun protection of Fig. 1 to the sensor device by means of external connecting wires which are electrically connected to the contacting elements of the connection device exposed according to Fig. 5.
  • Fig. 7 shows, analogous to the illustration in Fig. 6, another possible embodiment for the electrically conductive connection of the outer connecting wires with the contacting elements of the connecting device.
  • Fig. 8 shows a further possible embodiment for the electrical connection of a control unit to the sensor device of the underrun protection.
  • the underrun protection 100 for a motor vehicle shown in an exploded view in FIG. 1, is designed as a multi-layer composite component in a sandwich construction and has an inner core layer 110 and two outer cover layers 120, 130.
  • the layers 110, 120, 130 are cohesively connected in a laminate-like manner.
  • the core layer 110 is preferably formed from a thermoplastic molding compound, for example an LFT molding compound.
  • the cover layers 120, 130 are preferably made up of several semi-finished fiber layers.
  • a sensor device 200 with several electrically conductive sensor wires 220 is integrated into the upper cover layer 130 (facing away from the road), which is therefore located inside the underrun protection 100 or inside the relevant cover layer 130.
  • the following explanations also apply analogously to a composite component equipped with such a sensor device 200, which is not designed as an underrun protection.
  • the sensor device 200 is shown in Fig. 2 (before integration into the underrun protection 100).
  • the sensor device 200 has a flat carrier 210, which is preferably made of a fiber fleece V and in particular of a glass fiber fleece, as well as several sensor wires 220 arranged on the carrier 210, which are laid in a meandering manner and are each assigned to a specific area (sensing area) of the carrier 210.
  • Four sensor wires 220 are provided here purely as an example.
  • the sensor device 200 also has a connection device 230, also arranged on the carrier 210, for the external electrical contacting of all sensor wires 220 (the connection device 230 can therefore also be referred to as an all-in-one connection device).
  • the outline U illustrates the position of the sensor device 200 in the underrun protection 100.
  • the sensor wires 220 form independent sensing or detection areas in the underrun protection 100, which are assigned in particular to cavities (deformation chambers) located above the underrun protection 100 and can detect an intrusion of the underrun protection 100 into these cavities.
  • connection device 230 is shown in Fig. 3.
  • the connection device 230 has a flexible circuit board 231.
  • On or on the circuit board 231 there are several contacting elements 235 that are electrically connected to the sensor wires 220 for the external electrical contacting of the sensor wires 220.
  • the contacting elements 235 are soldered contact plates or the like. Two contacting elements 235 are provided for each sensor wire 220, each of which is electrically connected to a wire end (sensor wire end). Eight contacting elements 235 are therefore provided for the four sensor wires 220.
  • the contacting elements 235 are arranged in a row or along a line. Each contacting element 235 forms a contacting point or a connection point for the external electrical contacting of a wire end, i.e. that is, each wire end of a sensor wire 220 is electrically conductively connected to one of the contacting elements 235.
  • connection device 230 also has two magnetic elements 236 arranged on the flexible circuit board 231, which form reference points for locating the connection device 230 or the contacting elements 235 in the underrun protection 100, as explained above.
  • Fig. 4 shows the flexible circuit board 231 of the connection device 230.
  • the flexible circuit board 231 has several conductor tracks 232, with eight conductor tracks being provided for the embodiment shown.
  • Each of the conductor tracks 232 has a smaller first contact surface 233 and a larger second contact surface 234, which are formed by local removal of a circuit board covering layer (typically a top coat, as illustrated with the dot pattern).
  • a wire end (sensor wire end) is electrically conductively attached, in particular soldered, to each smaller first contact surface 233 (see Fig. 3).
  • a contacting plate acting as a contacting element 235 is soldered onto each larger second contact surface 234 (see Fig. 3).
  • the contact surfaces 233, 234 of the conductor tracks 232 are movable relative to one another, which contributes to permanent thermal and mechanical robustness, both during the manufacture of the underrun protection 100 and over the product's service life.
  • the holes 237 enable the flexible circuit board 231 to be attached to the carrier 210, for example using sewing or embroidery thread. Furthermore, plastic bridges can form through the holes 237 during pressing (as described above). In the exemplary embodiment shown, the holes 237 (eight holes) are located within the conductor tracks 232 between the first contact surfaces 233 and second contact surfaces 234. This allows a large number of holes to be placed on the circuit board 231, in particular on a small or small-area circuit board 231, to save space 237 will be accommodated.
  • connection device 230 of the integrated sensor device 200 shows a section of the underrun protection 100, within which the connection device 230 of the integrated sensor device 200 is located.
  • the contacting elements 235 of the connection device 230 are locally exposed, in particular by a milling process.
  • the exposed contacting elements 235 are located on the inside of the underrun protection 100 facing away from the road.
  • the underrun protection 100 is also formed with inside ribs 140.
  • FIG. 6 shows a control device 300 for the sensor device 200, which is located on the inside of the underrun protection 100 on the ribs 140 in is arranged in an elevated position.
  • the control device 300 is electrically connected to the integrated sensor device 200 by means of external connecting wires 400.
  • the outer connecting wires 400 are electrically conductively connected to the exposed contacting elements 235 of the connecting device 230.
  • the sensor-side wire ends (connecting wire ends) of the outer connecting wires 400 can be soldered or welded to the contacting elements 235 of the connecting device 230, whereby auxiliary contacting elements can also be provided (see FIG. 7).
  • each sensor wire end (wire end of a sensor wire 220) is electrically conductively connected to a connection wire end (wire end of a connection wire 400) by means of the connection device 230.
  • a locally applied seal or seal using plastic material, top coat or similar is preferably provided, which covers all contact points or connection points.
  • the electrically conductive connections between the outer connecting wires 400 and the contacting elements 235 of the connecting device 230 are carried out using cable lugs 410 and auxiliary contacting elements 420.
  • the wire ends (connecting wire ends) of the connecting wires 400 are preferably connected to the cable lugs 410 in a materially bonded manner, in particular soldered or welded.
  • the contacting auxiliary elements 420 are, for example, metallic screws, rivets, friction nails or dome elements, friction welding elements or the like.
  • the (external) contacting auxiliary elements 420 are positively and/or cohesively connected to the (internal) contacting elements 235 in an electrically conductive manner.
  • the wire ends (connecting wire ends) of the connecting wires 400 can also be connected in an electrically conductive manner directly, ie without cable lugs 410, to the contacting auxiliary elements 420, for example by soldering or welding. Sealing of the contact points or Connection points can be omitted. Optionally, a locally applied seal or seal can also be provided here.
  • the electrical connection of the control device 300 to the sensor device 200 or its sensor wires 210 is accomplished using the outer connecting wires 400, with the outer connecting wires 400 essentially forming a direct electrical connection, which is also referred to as a direct electrical connection of the Control unit 300 can be referred to.
  • Fig. 8 shows an embodiment in which an indirect connection of the control unit 300 is provided by means of a multiple connection element 430 attached to the underrun protection 100. This can also be referred to as an indirect or indirect electrical connection of the control unit 300.
  • the external connection wires 400 are laid from the connection device 230 or the contacting elements 235 to the multiple connection element 430. (The connection device 230 has a different placement and orientation in the underrun protection 100 compared to the embodiment shown in Fig. 6.)
  • the electrically conductive connections between the external connection wires 400 and the contacting elements 235 of the connection device 230 can be designed according to Fig. 6 or Fig. 7.
  • a multi-core cable 440 is provided for the electrical connection between the multiple connection element 430 and the control unit 300.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung (200) für ein Verbundbauteil, umfassend: - einen flächigen Träger (210); - mehrere auf dem Träger (210) angeordnete elektrisch leitende Sensordrähte (220), die jeweiligen Bereichen des Trägers (210) zugeordnet sind; sowie - eine auf dem Träger (210) angeordnete Anschlusseinrichtung (230), die für die externe elektrische Kontaktierung aller Sensordrähte (220) vorgesehen ist, wobei die Anschlusseinrichtung (230) eine flexible Leiterplatte (231) aufweist, an der sich mehrere mit den Sensordrähten (220) elektrisch verbundene Kontaktierungselemente für die externe elektrische Kontaktierung der Sensordrähte (220) befinden. Die Erfindung betrifft ferner einen Unterfahrschutz für ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Sensorvorrichtung (200) sowie auch ein Verfahren zu dessen Herstellung.

Description

Sensorvorrichtung für ein Verbundbauteil, Unterfahrschutz mit einer solchen Sensorvorrichtung und Verfahren zu dessen Herstellung
BESCHREIBUNG:
Die Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung für ein Verbundbauteil, insbesondere für einen Unterfahrschutz. Die Erfindung betrifft ferner einen als Verbundbauteil ausgebildeten Unterfahrschutz für ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Sensorvorrichtung sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.
Ein Verbundbauteil, wie insbesondere ein sogenannter Unterfahrschutz bzw. Unterbodenschutz für ein Kraftfahrzeug, kann mit wenigstens einer Sensorvorrichtung ausgestattet sein, die insbesondere dafür vorgesehen ist, eine unfallbedingte Deformation des Verbundbauteils, die möglicherweise auch auf eine Beschädigung umliegender Bauteile oder Baugruppen hinweist, zu detektieren. Die Sensorvorrichtung kann wenigstens einen Sensordraht oder dergleichen aufweisen, der als Deformationssensor fungiert. Ein solcher Sensordraht muss in geeigneter Weise elektrisch kontaktiert bzw. angeschlossen werden, um diesen bspw. mit einem Steuergerät elektrisch zu verbinden, was auch als externe elektrische Kontaktierung bezeichnet werden kann.
Die DE 10 2017 206 663 A1 beschreibt eine zur Verwendung an einem Batteriegehäuse eines Elektrofahrzeugs vorgesehene Schutzplatte, die bspw. aus einem Kunststoff gefertigt ist. Die Schutzplatte weist mindestens einen Deformationssensor auf. Der Deformationssensor umfasst eine elektrisch leitfähige Beschichtung, welche auf die Schutzplatte aufgebracht ist. Bevorzugt ist die elektrisch leitfähige Beschichtung eine Leiterbahn, welche sich zwischen einer ersten Klemme und einer zweiten Klemme erstreckt. Über die erste Klemme und die zweite Klemme ist der Deformationssensor mit einer Auswerteschaltung verbunden.
Die DE 102021 106 171 .7 beschreibt ein vorzugsweise als Unterbodenbauteil ausgebildetes Verbundbauteil mit einem Sensordraht. An einer Kontaktierungsstelle bzw. einem Kontaktierungsbereich des Sensordrahts kann ein mit dem Sensordraht elektrisch verbundenes Metallplättchen vorgesehen sein. Bevorzugt ist der Sensordraht mit dem Metallplättchen vernäht bzw. verstickt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine robuste und mehrere Sensordrähte aufweisende Sensorvorrichtung für ein Verbundbauteil bereitzustellen, die eine besonders einfache externe elektrische Kontaktierung der Sensordrähte ermöglicht.
Die Aufgabe wird gelöst durch die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Mit nebengeordneten Patentansprüchen erstreckt sich die Erfindung auch auf einen als Verbundbauteil ausgebildeten Unterfahrschutz für ein Kraftfahrzeug sowie auf ein Verfahren zu dessen Herstellung. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich analog für alle Erfindungsgegenstände aus den abhängigen Patentansprüchen, der nachfolgenden Erfindungsbeschreibung (dies schließt ausdrücklich auch beispielhaft und optional beschriebene Merkmale ein) und den Figuren.
Die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung, die auch als Deformationssensorvorrichtung bezeichnet werden kann, umfasst zumindest folgende Komponenten:
- einen flächigen, d. h. im Wesentlichen zweidimensionalen, Träger;
- mehrere, d. h. wenigstens zwei oder mehr, auf dem (flächigen) Träger angeordnete bzw. verlegte elektrisch leitende Sensordrähte, welche jeweiligen Bereichen des Trägers zugeordnet sind, womit insbesondere gemeint ist, dass jeder Sensordraht in einem anderen Bereich bzw. Segment des Trägers angeordnet bzw. verlegt ist; sowie - eine (einzelne) auf dem (flächigen) Träger angeordnete Anschlusseinrichtung, die für die externe elektrische Kontaktierung aller Sensordrähte vorgesehen ist, wobei diese Anschlusseinrichtung eine flexible Leiterplatte aufweist, an der bzw. auf der sich mehrere mit den Sensordrähten elektrisch verbundene, d. h. elektrisch leitend verbundene, Kontaktierungselemente befinden, die für die externe elektrische Kontaktierung der Sensordrähte vorgesehen sind.
Einerseits wird bei der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung durch Zusammenfassung der Kontaktierungsstellen bzw. Anschlusspunkte an bzw. auf einer Leiterplatte eine besonders einfache, d. h. sowohl einfach ausgestaltbare als auch einfach herstellbare, externe elektrische Kontaktierung aller Sensordrähte ermöglicht. (Mit externer elektrischer Kontaktierung der bzw. aller Sensordrähte ist insbesondere eine Vielzahl von externen elektrischen Kontaktierungen gemeint, was im Weiteren nicht explizit unterschieden wird.) Anderseits ist die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung aber auch robust, da die Leiterplatte aufgrund ihrer flexiblen Eigenschaften unempfindlich gegenüber mechanischen Spannungen ist (s. u.). Die Erfindung hat aber auch wirtschaftliche Vorteile und ist ferner vorteilhaft für eine prozesssichere Automatisierung diverser Herstellungsvorgänge bzw. -schritte.
Der flächige Träger (im Weiteren auch nur als Träger bezeichnet) ist bevorzugt ein flächiges Textil (Sensortextil) bzw. ein textiles Flächengebilde. Insbesondere handelt es sich um ein Faservlies bzw. einen Faservliesstoff oder Ähnliches. Das Textil bzw. Faservlies ist insbesondere aus Glasfasern gebildet. Der Träger kann vergleichsweise dünn ausgebildet sein und eine Dicke von nur wenigen Zehntel Millimetern aufweisen.
Die Sensordrähte können einen Durchmesser von 50 pm bis 150 pm aufweisen. Bevorzugt handelt es sich um metallische Sensordrähte, insbesondere um sogenannte Widerstandsdrähte. Die Sensordrähte sind mit vorgegebenen Verläufen, bspw. mäanderartigen Verläufen, auf dem Träger verlegt und in geeigneter Weise am Träger befestigt, bspw. aufgeklebt oder aufgestickt. Die Sensordrähte sind dafür vorgesehen, eine etwaige Deformation, insbesondere unfallbedingte Deformation, des Verbundbauteils zu erfassen bzw. zu detektieren (eine Deformation geht häufig mit einer Beeinträchtigung der strukturellen Integrität einher), wobei gegebenenfalls auch eine Quantifizierung möglich ist. Dies erfolgt insbesondere durch Erfassung von elektrischen Widerstandsveränderungen aufgrund von deformationsbedingten Längenveränderungen der Sensordrähte. Die Sensordrähte fungieren somit als Deformationssensoren und können daher auch als Deformationssensordrähte bezeichnet werden. Die Verwendung mehrerer Sensordrähte verringert die Gefahr eines vollständigen Ausfalls der Deformationsdetektion. Die bereichsweise Anordnung der Sensordrähte ermöglicht ferner auch die Lokalisierung einer Deformation.
Die Anschlusseinrichtung ist ebenfalls auf dem Träger angeordnet und bevorzugt in geeigneter Weise am Träger befestigt, bspw. angenäht, angestickt oder angeklebt. Die Anschlusseinrichtung kann auch als Kontaktierungseinrichtung bezeichnet werden. Die Anschlusseinrichtung ist für die externe elektrische Kontaktierung aller Sensordrähte vorgesehen und kann daher, unabhängig von ihrer Positionierung auf dem Träger, auch als zentrale Anschlusseinrichtung bezeichnet werden. (Wie bereits erwähnt, ist mit externer elektrischer Kontaktierung aller Sensordrähte insbesondere eine Vielzahl externer elektrischer Kontaktierungen gemeint.) Bevorzugt sind alle Sensordrähte so verlegt, dass sich deren Drahtenden an der Anschlusseinrichtung befinden, d. h., die Sensordrähte sind jeweils von der Anschlusseinrichtung weg- und in einer Schleife wieder zurückgeführt.
Erfindungsgemäß ist die Anschlusseinrichtung als flexible Leiterplatte ausgebildet bzw. weist eine flexible Leiterplatte auf. Eine flexible Leiterplatte (im Weiteren auch nur als Leiterplatte bezeichnet) ist aus einem flexiblen und/oder dehnbaren isolierenden Material, insbesondere einer Kunststofffolie oder einem textilen Flächengebilde oder dergleichen, und darauf aufgebrachten oder gegebenenfalls auch darin eingebrachten Leiterbahnen aus einem elektrisch leitfähigen Material, insbesondere aus Kupfer oder einer Kupferlegierung, gebildet. Die flexible Leiterplatte ist im Gegensatz zu einer starren Leiterplatte ohne Funktionsbeeinträchtigung verformbar, wodurch bspw. beim Herstellungsprozess des Verbundbauteils oder beim Setzen von Kontaktierungshilfselementen auftretende mechanische Spannungen, die zu Beschädigungen (bspw. Brüchen und Drahtabrissen) führen können, verringert werden. Die flexible Leiterplatte ist bevorzugt rechteckig ausgebildet und weist insbesondere Abmessungen von nicht mehr als 30 mm x 100 mm auf.
Erfindungsgemäß weist die (flexible) Leiterplatte mehrere mit den Sensordrähten elektrisch verbundene Kontaktierungselemente auf, die aufgrund ihrer vorgesehenen Anordnung im Verbundbauteil auch als interne Kontaktierungselemente bezeichnet werden können. Diese (internen) Kontaktierungselemente sind als Kontaktierungsstellen bzw. Anschlusspunkte vorgesehen, um die Sensordrähte quasi von außen elektrisch zu kontaktieren und insbesondere mit einem Steuergerät, womit insbesondere eine Auswerte- und/oder Steuereinheit gemeint ist, elektrisch zu verbinden. Hierfür können von außen gesetzte Kontaktierungshilfselemente, die auch als externe Kontaktierungselemente bezeichnet werden können, vorgesehen sein, die mit den (internen) Kontaktierungselementen der Anschlusseinrichtung elektrisch leitend verbunden sind/werden.
Bevorzugt sind an der Anschlusseinrichtung bzw. Leiterplatte für jeden Sensordraht der Sensorvorrichtung zwei Kontaktierungselemente vorgesehen, mit denen insbesondere die jeweiligen Drahtenden (Sensordrahtenden) elektrisch leitend verbunden sind. Bspw. sind vier Sensordrähte und acht Kontaktierungselemente vorgesehen. Es kann allerdings auch vorgesehen sein, dass mehrere Sensordrähte, insbesondere alle Sensordrähte, jeweils mit einem ihrer Drahtenden mit demselben Kontaktierungselement elektrisch leitend verbunden sind, über dass dann bspw. eine gemeinsame Masseanbindung der betreffenden Sensordrähte erfolgt. Im Falle von vier Sensordrähten wären dann fünf Kontaktierungselemente ausreichend. Bevorzugt sind die Kontaktierungselemente an der Leiterplatte in einer Reihe angeordnet. Mit anderen Worten: die Kontaktierungselemente sind derart benachbart zueinander angeordnet, dass diese auf einer Linie liegen. Die externe Kontaktierung kann so einfacher hergestellt werden, insbesondere dann, wenn das externe Kontaktieren, also das Herstellen der externen Kontaktierung, automatisiert durchgeführt wird.
Die flexible Leiterplatte weist bevorzugt mehrere separate, d. h. elektrisch nicht miteinander verbundene, Leiterbahnen auf, die die Sensordrähte, insbesondere deren Drahtenden, elektrisch leitend mit den Kontaktierungselementen verbinden. Bevorzugt weisen diese Leiterbahnen jeweils eine erste Kontaktfläche, mit der mindestens ein Drahtende (Sensordrahtende) elektrisch leitend verbunden ist, und eine zweite Kontaktfläche für die externe elektrische Kontaktierung auf. Die Sensordrähte bzw. deren Drahtenden sind insbesondere mit den ersten Kontaktflächen verlötet oder in sonstiger geeigneter Weise elektrisch leitend mit den ersten Kontaktflächen verbunden bzw. an den ersten Kontaktflächen befestigt. Die zweiten Kontaktflächen können unmittelbar als Kontaktierungselemente ausgebildet sein. Vorzugsweise sind die Kontaktierungselemente jedoch als Kontaktierungsbleche bzw. Metallplättchen ausgeführt bzw. ausgebildet, um eine ausreichende Verbindungsqualität, insbesondere einen stabilen Übergangswiderstand, zu gewährleisten. Bevorzugt sind diese Kontaktierungsbleche auf die Leiterplatte, insbesondere auf die zweiten Kontaktflächen, aufgelötet oder in sonstiger geeigneter Weise elektrisch leitend mit den zweiten Kontaktflächen verbunden bzw. an den zweiten Kontaktflächen befestigt. Die Kontaktierungsbleche können eine Dicke (Blechdicke) von mehreren Zehntel Millimetern aufweisen, bspw. bis zu 0,5 mm oder sogar bis zu 1 ,0 mm.
Unter einer „elektrisch leitenden Verbindung“ (im Weiteren auch nur als „elektrische Verbindung“ bezeichnet) wird insbesondere eine galvanische Verbindung, d. h. eine stromleitende mechanische Verbindung, zwischen den verbundenen elektrischen Komponenten verstanden. Gleiches gilt analog für die Formulierung „elektrisch leitend verbunden“ (im Weiteren auch nur als „elektrisch verbunden“ bezeichnet.) Unter einer „elektrischen Kontaktierung“ wird eine über geeignete Kontaktierungs- bzw. Anschlussmittel herbeigeführte elektrisch leitende Verbindung zwischen elektrischen Komponenten verstanden. Im Weiteren beziehen sich die Formulierungen „elektrisch leitende Verbindung“ bzw. „elektrisch leitend verbunden“ und „elektrische Kontaktierung“, insbesondere „externe elektrische Kontaktierung“, sowohl auf eine einzelne Verbindung bzw. Kontaktierung als auch auf eine Vielzahl von Verbindungen bzw. Kontaktierungen, wobei zwecks sprachlicher Vereinfachung teilweise nicht zwischen Einzahl (Singular) und Mehr- bzw. Vielzahl (Plural) unterschieden wird.
Die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung, die aufgrund der Anordnung mehrerer Sensordrähte auf einem Träger auch als Sensoranordnung bezeichnet werden kann, ist für die Verwendung in einem Verbundbauteil, insbesondere einem flächigen, d. h. im Wesentlichen zweidimensionalen, Verbundbauteil vorgesehen. Ein Verbundbauteil ist ein aus mehreren Werkstoffen bzw. Materialien gefertigtes Bauteil. Ein Verbundbauteil ist insbesondere ein zumindest teilweise aus Faserkunststoffverbundmatenal gefertigtes Bauteil, das auch als Faserkunststoffverbundbauteil bezeichnet werden kann. Bevorzugt handelt es also sich um ein Faserkunststoffverbundbauteil, vorzugsweise um ein thermoplastisches Faserkunststoffverbundbauteil, das insbesondere aus mehreren Lagen bzw. Schichten aufgebaut ist. Insbesondere handelt es sich um ein Sandwichbauteil mit einer inneren Kernlage und zwei äußeren Decklagen. Die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung kann als vorgefertigtes Zwischenprodukt bereitgestellt und bei der Herstellung des Verbundbauteils in dieses, insbesondere in den Lagen- bzw. Schichtaufbau, integriert werden.
Bevorzugt ist ein solches Verbundbauteil als Unterfahrschutz bzw. Unterbodenschutz für ein Kraftfahrzeug ausgebildet. Erfindungsgemäß weist ein solcher als Verbundbauteil ausgebildeter Unterfahrschutz wenigstens eine erfindungsgemäße Sensorvorrichtung auf, die sich insbesondere im Inneren des Unterfahrschutzes befindet bzw. in den Unterfahrschutz integriert ist. Bevorzugt ist der Unterfahrschutz als schalenartiges Sandwichbauteil mit einer Kernlage und zwei Decklagen ausgebildet, wobei die Sensorvorrichtung insbesondere in einer der Decklagen oder zwischen der Kernlage und einer der Decklagen angeordnet ist. Der Unterfahrschutz ist insbesondere für den Schutz einer am Kraftfahrzeug verbauten Traktionsbatterie vorgesehen. Mit der Sensorvorrichtung kann dann eine die Traktionsbatterie bzw. deren Batteriemodule gefährdende Deformation des Unterfahrschutzes detektiert bzw. erfasst werden.
Die nachfolgenden Erläuterungen in Bezug auf einen Unterfahrschutz gelten analog auch für ein Verbundbauteil, insbesondere für ein flächiges und/oder schalenartiges Verbundbauteil, das nicht als Unterfahrschutz ausgebildet ist.
Für die externe elektrische Kontaktierung der Sensordrähte der Sensorvorrichtung sind bevorzugt mehrere äußere Anschlussdrähte vorgesehen, die mit den Kontaktierungselementen an der Anschlusseinrichtung bzw. flexiblen Leiterplatte der Sensorvorrichtung elektrisch leitend verbunden sind. Mit äußeren Anschlussdrähten sind elektrisch leitende Drähte oder dergleichen gemeint, die nicht im Inneren des Verbundbauteils bzw. Unterfahrschutzes angeordnet sind. Die äußeren Anschlussdrähte können zumindest abschnittsweise mit einer Isolierung, bspw. einem Isolierlack oder einer Ummantelung, ausgebildet und insofern auch als Anschlusskabel bezeichnet werden. Die äußeren Anschlussdrähte können zumindest abschnittsweise am Verbundbauteil bzw. Unterfahrschutz befestigt sein. Bevorzugt ist für jedes Kontaktierungselement der Anschlusseinrichtung bzw. Leiterplatte ein äußerer Anschlussdraht vorgesehen. Eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den äußeren Anschlussdrähten und den Kontaktierungselementen der Anschlusseinrichtung bzw. Leiterplatte der Sensorvorrichtung kann mittels Kontaktierungshilfselementen bewerkstelligt werden, die von extern gesetzt, d. h. von außen auf- oder eingebracht sind/werden. Als Kontaktierungshilfselemente eignen sich insbesondere metallische Schauben, Nieten, Reibschweißelemente, Reibnägel oder dergleichen. Zudem können an den betreffenden bzw. sensorseitigen Drahtenden der Anschlussdrähte (Anschlussdrahtenden) Kabelschuhe oder dergleichen vorgesehen sein. Die betreffenden bzw. sensorseitigen Drahtenden (Anschlussdrahtenden) der äußeren Anschlussdrähte können auch mit den Kontaktierungselementen an der flexiblen Leiterplatte verlöten werden/sein.
Bevorzugt ist ein Steuergerät, womit insbesondere eine elektrische bzw. elektronische Auswerte- und/oder Steuereinheit gemeint ist, für die Sensorvorrichtung vorgesehen, das insbesondere mittels bzw. mithilfe der äußeren Anschlussdrähte elektrisch an die Sensorvorrichtung angeschlossen bzw. mit der Sensorvorrichtung elektrisch leitend verbunden ist.
Der elektrische Anschluss des Steuergeräts (womit eine durch Anschlussmittel herbeigeführte elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Steuergerät und der Sensorvorrichtung bzw. deren Sensordrähten gemeint ist) kann quasi direkt erfolgen, d. h., die äußeren Anschlussdrähte sind von der Anschlusseinrichtung bzw. der flexiblen Leiterplatte bis zum Steuergerät verlegt.
Bevorzugt ist jedoch ein quasi indirekter elektrischer Anschluss des Steuergeräts mittels eines am Unterfahrschutz, insbesondere auf dessen Innenseite, befestigten Mehrfachverbindungselements bzw.
Mehrfachverbinders, welches bzw. welcher vorzugsweise als Mehrfachkupplung ausgebildet ist, vorgesehen. Bevorzugt ist das Mehrfachverbindungselement in einem hinsichtlich mechanischer Gefährdung und Medieneinwirkung unkritischen Bereich angeordnet. Das Mehrfachverbindungselement kann analog zum Steuergerät auf einer Erhöhung angeordnet sein (s. u.). Die Befestigung des Mehrfachverbindungselements erfolgt bspw. mittels Kleb-, Schraub- oder Rast- bzw. Klickverbindung. Die äußeren Anschlussdrähte sind ausgehend von der Anschlusseinrichtung bzw. der flexiblen Leiterplatte nur bis zu dem Mehrfachverbindungselement verlegt. Die elektrische Verbindung zwischen dem Mehrfachverbindungselement und dem Steuergerät kann dann über ein mehradriges Kabel, bspw. ein Flachbandkabel, bewerkstelligt werden, das mit wenigstens einem Steckverbindungselement zur Verbindung mit dem Mehrfachverbindungselement und/oder dem Steuergerät ausgebildet sein kann. Der Anschluss- bzw. Verbindungsaufwand wird dadurch reduziert.
Das Steuergerät ist bevorzugt am Unterfahrschutz angeordnet, insbesondere in einem hinsichtlich mechanischer Gefährdung unkritischen Bereich, und in geeigneter Weise am Unterfahrschutz befestigt. Die Befestigung erfolgt bspw. mittels Kleb-, Schraub- oder Rast- bzw. Klickverbindung.
Insbesondere ist vorgesehen, dass das Steuergerät mit einem Abstand von nicht mehr als 200 mm, insbesondere nicht mehr als 100 mm, von der Anschlusseinrichtung bzw. der flexiblen Leiterplatte der Sensorvorrichtung angeordnet ist, damit die äußeren Anschlussdrähte möglichst kurz sind und dadurch etwaige Störeinflüsse (auf die analogen Signale) minimiert werden. Bevorzugt ist das Steuergerät auf der (von der Fahrbahn abgewandten) Innenseite des Unterfahrschutzes angeordnet, insbesondere auf einer Erhöhung, die bspw. mittels Rippen oder als Plateau ausgebildet ist, um eine eventuelle Medieneinwirkung, insbesondere Gefährdung durch Wasser- oder sonstige Medienansammlung, zu vermeiden oder wenigstens zu reduzieren. Das Steuergerät ist bevorzugt in direkter Nähe zu Anschraub- bzw. Befestigungspunkten des Unterfahrschutzes angeordnet (selbiges gilt bevorzugt auch analog für das Mehrfachverbindungselement).
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines als Verbundbauteil ausgebildeten Unterfahrschutzes umfasst zumindest die folgenden Schritte:
- Herstellen bzw. Erzeugen eines mehrere Lagen umfassenden Lagenaufbaus (durch Stapelbildung), dessen Lagen aus Kunststoff, faserverstärktem Kunststoff und/oder Faserhalbzeugen bzw. Faserhalbzeugzuschnitten gebildet sind, wobei in den Lagenaufbau auch eine erfindungsgemäße Sensorvorrichtung eingebracht wird, insbesondere derart, dass sich diese zwischen zwei Lagen oder innerhalb einer Lage befindet;
- Verpressen des Lagenaufbaus zu dem als Verbundbauteil ausgebildeten Unterfahrschutz, wobei die Sensorvorrichtung, einschließlich der Anschlusseinrichtung, in das Verbundbauteil bzw. den Unterfahrschutz integriert wird, insbesondere vollständig integriert wird. Die Sensorvorrichtung bildet dann innerhalb des Verbundbauteils bzw. Unterfahrschutzes eine Sensorschicht bzw. Deformationssensorschicht.
Bei den verwendeten Kunststoffen handelt es sich insbesondere um thermoplastische Kunststoffe. Bei den Verstärkungsfasern des faserverstärkten Kunststoffs handelt es sich insbesondere um Glasfasern. Bei den verwendeten Faserhalbzeugen handelt es sich vorzugsweise um Fasertextilien, die insbesondere aus Glasfasern gebildet sind. Die Faserhalbzeuge bzw. Fasertextilien können mit einem Kunststoff, insbesondere einem thermoplastischen Kunststoff, vorimprägniert sein. Selbiges gilt für den flächigen Träger der Sensorvorrichtung. Beim Verpressen, welches insbesondere ein Warmverpressen ist, werden die Lagen bzw. Schichten des zuvor erzeugten Lagenaufbaus Stoff- und formschlüssig miteinander verbunden sowie die Form bzw. Gestalt des Unterfahrschutzes ausgebildet, wobei auch Zusatzelemente (bspw. Rippen, Halterungen, Abstandshalter, eine Erhöhung für das Steuergerät und dergleichen) angeformt werden können. Das Verpressen des Lagenaufbaus erfolgt bevorzugt in einem pressengebundenen Presswerkzeug. Der Unterfahrschutz kann Abmessungen von bis zu 1500 mm x 2000 mm und mehr aufweisen, bei einer bevorzugten Dicke (Gesamtdicke) von nur 5 mm bis 10 mm.
Der Unterfahrschutz ist bevorzugt ein schalenartiges Sandwichbauteil mit einer inneren Kernlage und zwei äußeren Decklagen, wobei die innere Kernlage insbesondere aus einer LFT-Pressmasse (LFT = langfaserverstärkter Thermoplast) und die äußeren Decklagen aus mehreren Schichten eines Faserhalbzeugs gebildet werden/sind. Bevorzugt wird die Sensorvorrichtung bei der Stapelbildung zwischen den Schichten einer der Decklagen angeordnet und somit in die betreffende Decklage integriert.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann ferner den Schritt umfassen:
- Herstellen bzw. Erzeugen der externen elektrischen Kontaktierung bzw. der externen elektrischen Kontaktierungen für die Sensordrähte der im Verbundbauteil integrierten Sensorvorrichtung mittels äußerer Anschlussdrähte, die mit den Kontaktierungselementen an der Anschlusseinrichtung bzw. flexiblen Leiterplatte der Sensorvorrichtung elektrisch leitend verbunden werden.
Das externe elektrische Kontaktieren, d. h. das Herstellen der externen elektrischen Kontaktierung, kann manuell erfolgen. Bevorzugt erfolgt das elektrische Kontaktieren automatisiert, insbesondere mithilfe einer Robotervorrichtung oder dergleichen.
Typischerweise befindet sich die flexible Leiterplatte einschließlich der Kontaktierungselemente für die externe elektrische Kontaktierung im Inneren des Verbundbauteils bzw. Unterfahrschutzes, sodass für die externe elektrische Kontaktierung ein Zugang zu den Kontaktierungselementen geschaffen werden muss. Hierzu können die an bzw. auf der flexiblen Leiterplatte befindlichen Kontaktierungselemente nach dem Verpressen freigelegt werden und/oder Kontaktierungshilfselemente verwendet werden. Kontaktierungshilfselemente sind bspw. metallische Schauben, Nieten, Reibnägel bzw. Domelemente oder dergleichen, die auch ohne vorheriges Freilegen der Kontaktierungselemente von außen bzw. extern gesetzt werden können.
Die Position der in das Bauteil integrierten, d. h. im Inneren des Verbundbauteils bzw. Unterfahrschutzes befindlichen flexiblen Leiterplatte unterliegt fertigungsbedingten Schwankungen. Um die flexible Leiterplatte sowie die daran angeordneten Kontaktierungselemente aufzufinden, sind feste Positionsvorgaben ungeeignet. Bevorzugt ist an bzw. auf der flexiblen Leiterplatte der Anschlusseinrichtung wenigstens ein Magnetelement angeordnet, das einen (magnetisch detektierbaren) Referenzpunkt bildet und eine (magnetische) Lokalisierung von außen ermöglicht. Bevorzugt sind wenigsten zwei an bzw. auf der flexiblen Leiterplatte angeordnete Magnetelemente vorgesehen. Das Lokalisieren sowie gegebenenfalls ein Ausrichten kann auch als Einmessen bezeichnet werden. Das Einmessen erfolgt insbesondere automatisiert. Nach dem Lokalisieren sowie gegebenenfalls Ausrichten können alle Kontaktierungselemente ohne weiteren Aufwand extern kontaktiert werden, was insbesondere automatisiert erfolgt.
Die Verwendung von magnetischen Kontaktierungsblechen ermöglicht ebenfalls deren Lokalisierung von außen durch magnetische Detektierung. Wird die elektrische Kontaktierung ohne nennenswerte Verzögerung nach einem Warm verpressen des Lagenaufbaus erzeugt bzw. hergestellt, kann die Lokalisierung auch mittels Wärmebildkamera oder dergleichen erfolgen (metallische Komponenten kühlen langsamer ab als Kunststoffmatenal). Ferner kann vorgesehen sein, dass lokal im Bereich der flexiblen Leiterplatte, zumindest im Bereich der Kontaktierungselemente, transparentes Kunststoffmatenal verwendet wird, sodass eine Sichtlokalisierung möglich ist. Die vorausgehend erläuterten Maßnahmen können auch in Kombination angewendet werden.
Wie bereits erwähnt, können die an bzw. auf der flexiblen Leiterplatte befindlichen Kontaktierungselemente nach dem Verpressen freigelegt werden, sodass ein freier Zugang geschaffen wird. Das Freilegen kann durch einen Fräsvorgang erfolgen, der insbesondere so ausgeführt wird, dass die Kontaktierungselemente nach dem Fräsen blank sind. Auch hierfür können die vorausgehend beschriebenen Maßnahmen hilfreich sein, um den freizulegenden bzw. abzufräsenden Bereich zu ermitteln.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann ferner den Schritt umfassen:
- Befestigen eines Steuergeräts am Unterfahrschutz und Herstellen bzw. Erzeugen einer elektrisch leitenden Verbindung (zu der Sensorvorrichtung bzw. deren Anschlusseinrichtung) mithilfe von äußeren Anschlussdrähten sowie gegebenenfalls Abdichten bzw. Versiegeln der Kontaktierungsstellen bzw. Anschlusspunkte.
Im Rahmen der Erfindung sind sowohl die vorausgehend beschriebenen als auch die nachfolgend erläuterten Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Merkmalskombination, sondern auch in anderen Merkmalskombinationen oder in Alleinstellung anwendbar. Dies gilt auch für die in den Figuren gezeigten Merkmale.
Die Erfindung wird nachfolgend in nicht einschränkender Weise anhand der Figuren näher erläutert. Die in den Figuren gezeigten und/oder nachfolgend erläuterten Merkmale können, auch unabhängig von bestimmten Merkmalskombinationen, allgemeine Merkmale der Erfindung sein und die Erfindung entsprechend weiterbilden. Ferner können Merkmale verschiedener Ausführungsbeispiele bzw. -möglichkeiten zu weiteren Ausführungsbeispielen kombiniert werden.
Fig. 1 zeigt den Lagenaufbau eines Unterfahrschutzes mit einer integrierten Sensorvorrichtung.
Fig. 2 zeigt die im Unterfahrschutz der Fig. 1 verwendete Sensorvorrichtung mit mehreren Sensordrähten.
Fig. 3 zeigt die für die externe elektrische Kontaktierung der Sensordrähte vorgesehene Anschlusseinrichtung an der Sensorvorrichtung der Fig. 2.
Fig. 4 zeigt die zur Anschlusseinrichtung der Fig. 3 gehörende flexible Leiterplatte.
Fig. 5 zeigt einen Abschnitt der Oberseite des Unterfahrschutzes der Fig.1 mit freigelegten Kontaktierungselementen, die zur Anschlusseinrichtung der Fig. 3 gehören.
Fig. 6 zeigt den elektrischen Anschluss eines am Unterfahrschutz der Fig. 1 befestigten Steuergeräts an die Sensorvorrichtung mittels äußerer Anschlussdrähte, die mit den gemäß Fig. 5 freigelegten Kontaktierungselementen der Anschlusseinrichtung elektrisch leitend verbunden sind. Fig. 7 zeigt analog zur Darstellung der Fig. 6 eine andere Ausführungsmöglichkeit für die elektrisch leitende Verbindung der äußeren Anschlussdrähte mit den Kontaktierungselementen der Anschlusseinrichtung.
Fig. 8 zeigt eine weitere Ausführungsmöglichkeit für den elektrischen Anschluss eines Steuergeräts an die Sensorvorrichtung des Unterfahrschutzes.
Der in Fig. 1 in einer Explosivdarstellung gezeigte Unterfahrschutz 100 für ein Kraftfahrzeug ist als mehrlagiges Verbundbauteil in Sandwichbauweise ausgebildet und weist eine innere Kernlage 110 und zwei äußere Decklagen 120, 130 auf. Die Lagen 110, 120, 130 sind laminatartig stoffschlüssig verbunden. Die Kernlage 110 ist bevorzugt aus einer thermoplastischen Pressmasse, bspw. einer LFT-Pressmasse, gebildet. Die Decklagen 120, 130 sind bevorzugt aus mehreren Faserhalbzeugschichten aufgebaut. In die obere (von der Fahrbahn abgewandte) Decklage 130 ist eine Sensorvorrichtung 200 mit mehreren elektrisch leitenden Sensordrähten 220 integriert, die sich somit im Inneren des Unterfahrschutzes 100 bzw. im Inneren der betreffenden Decklage 130 befindet. Die nachfolgenden Erläuterungen gelten analog auch für ein mit einer derartigen Sensorvorrichtung 200 ausgestattetes Verbundbauteil, welches nicht als Unterfahrschutz ausgebildet ist.
In Fig. 2 ist die Sensorvorrichtung 200 dargestellt (vor der Integration in den Unterfahrschutz 100). Die Sensorvorrichtung 200 weist einen flächigen Träger 210 auf, der vorzugsweise aus einem Faservlies V und insbesondere aus einem Glasfaservlies gebildet ist, sowie mehrere auf dem Träger 210 angeordnete Sensordrähte 220, die mäanderartig verlegt und jeweils einem bestimmten Bereich (Sensierungsbereich) des Trägers 210 zugeordnet sind. Lediglich beispielhaft sind hier vier Sensordrähte 220 vorgesehen. Die Sensorvorrichtung 200 weist ferner eine ebenfalls auf dem Träger 210 angeordnete Anschlusseinrichtung 230 für die externe elektrische Kontaktierung aller Sensordrähte 220 auf (die Anschlusseinrichtung 230 kann daher auch als All-In-One-Anschlusseinrichtung bezeichnet werden). Die Umrisslinie U veranschaulicht die Lage der Sensorvorrichtung 200 im Unterfahrschutz 100. Die Sensordrähte 220 bilden im Unterfahrschutz 100 unabhängige Sensierungs- bzw. Detektionsbereiche, die insbesondere oberhalb des Unterfahrschutzes 100 befindlichen Hohlräume (Deformationskammern) zugeordnet sind und eine Intrusion des Unterfahrschutzes 100 in diese Hohlräume hinein detektieren können.
In Fig. 3 ist die Anschlusseinrichtung 230 dargestellt. Die Anschlusseinrichtung 230 weist eine flexible Leiterplatte 231 auf. An bzw. auf der Leiterplatte 231 befinden sich mehrere mit den Sensordrähten 220 elektrisch verbundene Kontaktierungselemente 235 für die externe elektrische Kontaktierung der Sensordrähte 220. Bei den Kontaktierungselementen 235 handelt es sich um aufgelötete Kontaktierungsbleche oder dergleichen. Für jeden Sensordraht 220 sind zwei Kontaktierungselemente 235 vorgesehen, die jeweils mit einem Drahtende (Sensordrahtende) elektrisch leitend verbunden sind. Für die vier Sensordrähte 220 sind somit acht Kontaktierungselemente 235 vorgesehen.
Die Kontaktierungselemente 235 sind in einer Reihe bzw. entlang einer Linie angeordnet. Jedes Kontaktierungselement 235 bildet eine Kontaktierungsstelle bzw. einen Anschlusspunkt für die externe elektrische Kontaktierung eines Drahtendes, d. h., jedes Drahtende eines Sensordrahts 220 ist mit jeweils einem der Kontaktierungselemente 235 elektrisch leitend verbunden.
Die Anschlusseinrichtung 230 weist ferner auch zwei auf der flexiblen Leiterplatte 231 angeordnete Magnetelemente 236 auf, die Referenzpunkte für die Lokalisierung der Anschlusseinrichtung 230 bzw. der Kontaktierungselemente 235 im Unterfahrschutz 100 bilden, wie obenstehend erläutert.
In Fig. 4 ist die flexible Leiterplatte 231 der Anschlusseinrichtung 230 dargestellt. Die flexible Leiterplatte 231 weist mehrere Leiterbahnen 232 auf, wobei für das gezeigte Ausführungsbeispiel acht Leiterbahnen vorgesehen sind. Jede der Leiterbahnen 232 weist eine kleinere erste Kontaktfläche 233 und eine größere zweite Kontaktfläche 234 auf, die durch lokalen Abtrag einer Leiterplattendeckschicht (typischerweise ein Decklack, wie mit dem Punktmuster veranschaulicht) gebildet sind. An jeder kleineren ersten Kontaktfläche 233 wird ein Drahtende (Sensordrahtende) elektrisch leitend befestigt, insbesondere angelötet (siehe Fig. 3). Auf jede größere zweite Kontaktfläche 234 wird ein als Kontaktierungselement 235 fungierendes Kontaktierungsblech aufgelötet (siehe Fig. 3). Aufgrund der flexiblen Eigenschaften der Leiterplatte 231 sind die Kontaktflächen 233, 234 der Leiterbahnen 232 zueinander relativbeweglich, was zu einer dauerhaften thermischen und mechanischen Robustheit beiträgt, sowohl bei der Herstellung des Unterfahrschutzes 100 als auch über der Produktlebensdauer.
Die Löcher 237 ermöglichen eine Befestigung der flexiblen Leiterplatte 231 am Träger 210, bspw. mittels Näh- oder Stickfaden. Ferner können sich beim Verpressen (wie obenstehend beschrieben) durch die Löcher 237 hindurch Kunststoffbrücken ausbilden. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel befinden sich die Löcher 237 (acht Löcher) innerhalb der Leiterbahnen 232 zwischen den ersten Kontaktflächen 233 und zweiten Kontaktflächen 234. Dadurch können auf der Leiterplatte 231 , insbesondere auch auf einer kleinen bzw. kleinflächigen Leiterplatte 231 , platzsparend eine Vielzahl von Löchern 237 untergebracht werden.
In Fig. 5 ist ein Abschnitt des Unterfahrschutzes 100 dargestellt, innerhalb dessen sich die Anschlusseinrichtung 230 der integrierten Sensorvorrichtung 200 befindet. Die Kontaktierungselemente 235 der Anschlusseinrichtung 230 sind lokal freigelegt, insbesondere durch einen Fräsvorgang. Die freigelegten Kontaktierungselemente 235 befinden sich an der von der Fahrbahn abgewandten Innenseite des Unterfahrschutzes 100. Im gezeigten Abschnitt ist der Unterfahrschutz 100 ferner mit innenseitigen Rippen 140 ausgebildet.
In Fig. 6 ist ein Steuergerät 300 für die Sensorvorrichtung 200 dargestellt, das auf der Innenseite des Unterfahrschutzes 100 auf den Rippen 140 in einer erhöhten Lage angeordnet ist. Das Steuergerät 300 ist mittels äußerer Anschlussdrähte 400 mit der integrierten Sensorvorrichtung 200 elektrisch verbunden. Die äußeren Anschlussdrähte 400 sind mit den freigelegten Kontaktierungselementen 235 der Anschlusseinrichtung 230 elektrisch leitend verbunden. Die sensorseitigen Drahtenden (Anschlussdrahtenden) der äußeren Anschlussdrähte 400 können mit den Kontaktierungselementen 235 der Anschlusseinrichtung 230 verlötet oder verschweißt sein, wobei auch Kontaktierungshilfselemente vorgesehen sein können (siehe Fig. 7). Somit ist jedes Sensordrahtende (Drahtende eines Sensordrahts 220) mittels der Anschlusseinrichtung 230 mit einem Anschlussdrahtende (Drahtende eines Anschlussdrahts 400) elektrisch leitend verbunden. Bevorzugt ist noch eine lokal aufgebrachte Abdichtung bzw. Versiegelung mittels Kunststoff masse, Decklack oder Ähnlichem vorgesehen, die alle Kontaktierungsstellen bzw. Anschlusspunkte überdeckt.
In Fig. 7 ist eine Ausführungsmöglichkeit dargestellt, bei der die Kontaktierungselemente 235 der Anschlusseinrichtung 230 nicht freigelegt sind, sondern sich verdeckt im Inneren des Unterfahrschutzes 100 befinden. Die elektrisch leitenden Verbindungen zwischen den äußeren Anschlussdrähten 400 und den Kontaktierungselementen 235 der Anschlusseinrichtung 230 sind mittels Kabelschuhen 410 und Kontaktierungshilfselementen 420 ausgeführt. Bevorzugt sind die Drahtenden (Anschlussdrahtenden) der Anschlussdrähte 400 mit den Kabelschuhen 410 stoffschlüssig verbunden, insbesondere verlötet oder verschweißt. Bei den Kontaktierungshilfselementen 420 handelt es sich bspw. um metallische Schauben, Nieten, Reibnägel bzw. Domelemente, Reibschweißelemente oder dergleichen. Die (externen) Kontaktierungshilfselemente 420 sind form- und/oder stoffschlüssig mit den (internen) Kontaktierungselementen 235 elektrisch leitend verbunden. Die Drahtenden (Anschlussdrahtenden) der Anschlussdrähte 400 können auch direkt, d. h. ohne Kabelschuhe 410, mit den Kontaktierungshilfselementen 420 elektrisch leitend verbunden sein, bspw. durch Verlötung oder Verschweißung. Eine Versiegelung der Kontaktierungsstellen bzw. Anschlusspunkte kann entfallen. Optional kann aber auch hier eine lokal aufgebrachte Abdichtung bzw. Versiegelung vorgesehen sein.
Bei der in Fig. 6 dargestellten Ausführungsmöglichkeit ist der elektrische Anschluss des Steuergeräts 300 an die Sensorvorrichtung 200 bzw. deren Sensordrähte 210 mithilfe der äußeren Anschlussdrähte 400 bewerkstelligt, wobei die äußeren Anschlussdrähte 400 quasi eine direkte elektrische Verbindung ausbilden, was auch als direkter elektrischer Anschluss des Steuergeräts 300 bezeichnet werden kann.
In Fig. 8 ist eine Ausführungsmöglichkeit dargestellt, bei der quasi eine indirekte Verbindung des Steuergeräts 300 mittels eines am Unterfahrschutz 100 befestigten Mehrfachverbindungselements 430 vorgesehen ist. Dies kann auch als indirekter bzw. mittelbarer elektrischer Anschluss des Steuergeräts 300 bezeichnet werden. Die äußeren Anschlussdrähte 400 sind ausgehend von der Anschlusseinrichtung 230 bzw. den Kontaktierungselementen 235 bis zum Mehrfachverbindungselement 430 verlegt. (Die Anschlusseinrichtung 230 weist im Vergleich zu der in Fig. 6 gezeigten Ausführungsmöglichkeit eine andere Platzierung und Ausrichtung im Unterfahrschutz 100 auf.) Die elektrisch leitenden Verbindungen zwischen den äußeren Anschlussdrähten 400 und den Kontaktierungselementen 235 der Anschlusseinrichtung 230 können gemäß Fig. 6 oder Fig. 7 ausgeführt sein. Für die elektrische Verbindung zwischen dem Mehrfachverbindungselement 430 und dem Steuergerät 300 ist ein mehradriges Kabel 440 vorgesehen.
BEZUGSZEICHENLISTE:
100 Unterfahrschutz (Verbundbauteil)
110 Kernlage
120 Decklage
130 Decklage
140 Rippe (Erhöhung)
200 Sensorvorrichtung
210 flächiger Träger
220 Sensordraht
230 Anschlusseinrichtung
231 flexible Leiterplatte
232 Leiterbahn
233 erste Kontaktfläche
234 zweite Kontaktfläche
235 Kontaktierungselement
236 Magnetelement
237 Loch (Bohrung)
300 Steuergerät
400 äußere Anschlussdraht
410 Kabelschuh
420 Kontaktierungshilfselement
430 Mehrfachverbindungselement
440 mehradriges Kabel
U Umriss
V Faservlies

Claims

PATENTANSPRÜCHE:
1 . Sensorvorrichtung (200) für ein Verbundbauteil, umfassend:
- einen flächigen Träger (210);
- mehrere auf dem Träger (210) angeordnete elektrisch leitende Sensordrähte (220), die jeweiligen Bereichen des Trägers (210) zugeordnet sind;
- eine auf dem Träger (210) angeordnete Anschlusseinrichtung (230), die für die externe elektrische Kontaktierung aller Sensordrähte (220) vorgesehen ist, wobei die Anschlusseinrichtung (230) eine flexible Leiterplatte (231 ) aufweist, an der sich mehrere mit den Sensordrähten (220) elektrisch verbundene Kontaktierungselemente (235) für die externe elektrische Kontaktierung der Sensordrähte (220) befinden.
2. Sensorvorrichtung (200) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass für jeden Sensordraht (220) zwei Kontaktierungselemente (235) vorgesehen sind.
3. Sensorvorrichtung (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktierungselemente (235) in einer Reihe angeordnet sind.
4. Sensorvorrichtung (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktierungselemente (235) als aufgelötete Kontaktierungsbleche ausgeführt sind.
5. Sensorvorrichtung (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der flexiblen Leiterplatte (231 ) wenigstens ein Magnetelement (236) angeordnet ist, das einen Referenzpunkt bildet.
6. Als Verbundbauteil ausgebildeter Unterfahrschutz (100) für ein
Kraftfahrzeug, aufweisend eine Sensorvorrichtung (200), die nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5 ausgebildet ist.
7. Unterfahrschutz (100) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass für die externe elektrische Kontaktierung der Sensordrähte (220) äußere Anschlussdrähte (400) vorgesehen sind, die mit den Kontaktierungselementen (235) an der flexiblen Leiterplatte (231 ) elektrisch leitend verbunden sind.
8. Unterfahrschutz (100) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein mittels der äußeren Anschlussdrähte (400) an die Sensorvorrichtung (200) elektrisch angeschlossenes Steuergerät (300) vorgesehen ist.
9. Unterfahrschutz (100) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (300) auf einer Erhöhung (140) an der Innenseite des Unterfahrschutzes (100) angeordnet ist.
10. Verfahren zur Herstellung eines als Verbundbauteil ausgebildeten Unterfahrschutzes (100) gemäß Anspruch 6, mit den Schritten:
- Herstellen eines mehrere Lagen umfassenden Lagenaufbaus, dessen Lagen aus Kunststoff, faserverstärktem Kunststoff und/oder Faserhalbzeugen gebildet sind, wobei in den Lagenaufbau auch eine Sensorvorrichtung (200), die nach einem der Ansprüche 1 bis 5 ausgebildet ist, eingebracht wird;
- Verpressen des Lagenaufbaus zu dem als Verbundbauteil ausgebildeten Unterfahrschutz (100), wobei die Sensorvorrichtung (200) in den Unterfahrschutz (100) integriert wird.
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