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Diplomarbeit Roland SCHALLER F757

1. Ausgangsspannung V Messung 1 U U Messung 2 Messung 3 Kraft N Bild 53 Reproduzierbarkeit der Kennlinie KMB Version 5 0 Autor Roland Schaller 75 123 Diplomarbeit Gewichtssensor Zu erkennen ist die bekannte Kennlinie welche die Reproduzierbarkeit der Messung widerspiegelt Die Ergebnisse resultieren aus drei Messungen Die Reproduzierbarkeit ist kleiner 0 1 Weiter zu erkennen ist dass sich die Abweichung von der Regressionsgeraden gegen ber dem Ringbolzen und dem Bolzen der Version 2 0 wesentlich reduziert hat Betrug beim Bolzen der Version 2 0 die maximale Abweichung 6 42 so hat sie hier beim Topfbolzen sowohl f r Zug wie auch Druckbelastung einen maximalen Wert von ca 1 5 Nehmen wir nun eine zu sch tzende Person mit 50 kg an so w rde ihr Gewicht um ca 0 75 kg falsch ermittelt werden Dies bedeutet eine Reduktion des Messfehlers auf mehr als ein Viertel gegen ber den KMB der ersten Ausf hrungen Ausgangsspannung V Kraft N Bild 59 Belastungskennlinie f r mehrfache Belastung KMB Version 5 0 Diese Kennlinie zeigt die Reaktion des KMB auf die Belastung mit Druck und Zugkr ften Es wurde der Bolzen mehrmals hintereinander mit unterschiedlichen Kr ften 100 200 300 und 470N belastet Die Resultate der Belastungen f r Druck und Zug wurden getrennt von einander er
2. ee LENK e V A Ok i A Ae D m ah p ot 2 i d W Jo le Wi LAB X i A 1 al of JN H A Wu Sa i oj Screen Printed Screw Product Name and R37 Terminal Labe Assembly Number W12 Ji Swi R51 J3 R9 R54 J5 W10 R55 W1 J9 W13 J7 J10 R65 W3 F3 R69 R2 R23 Serial Number J8 R17 wg F1 R19 R18 F2 W11 R30 R14 R33 R34 we R35 R50 Bild 82 Aufbau der Analogkarte Autor Roland Schaller 102 123 Diplomarbeit Gewichtssensor 11 3 Software Messfenster vom MGC S chnittstellenauswahl x BER Te et BE u HE bez EDEN ber Welter gt gt sollte kein Mebqerat angeschlossen sein so kann dieses nur im Testmodus offline simuliert werden Beenden Melger t online C Simulationsmodus offline Initialisieren mit letzte DE AM Deter aktuelle Meiger ted ten C BEAM Grundeinstellungen TR Uptionen a Lee E een TE TEA Th a Wahlen Sie die entsprechende Schnittstelle tur das Meiger t ML zx aus LETI HE Bild 83 Schnittstellenauswahl Gerateeinstellungen Anzahl der Gerate achnittstelle Centronics berragungstorrmat 4 Byte float m erg EH 4 Byte float Einschubk rten zeigen T Autokalikrierung ein aus Daten fur Ger t h Gerateadresse Bushetneb u IEEE 400 I SERIEN Ethernet 0 0 0 0 Geh use Con Feten Softwareversion P1 36 Einschube 6 Seriennummer 0 Speicherp
3. val saul W dt P w oO 4 40 385 68 5 1 20 220 375 7 SA 10 105 190 12 19 0 5 51 96 22 35 5 0 2 5 26 48 50 70 ci 125 185 24 100 135 05 07 12 200 280 G 02 01 03 650 11C0 04 0 08 0 15 1400 2200 0 005 0 042 0 075 3000 4600 C i Hochpap bei Tieipa Besse Stiz oder Butterworin 10Hz Hz 0 1 und 4 9 Absolute Kalibrierabweichung 0 1 Lineark tsabweichung I 0 02 typ 0 01 v E E Rauschspannung bezogen auf den Eingang bei Filtereinstetiung 1 25 ice MeBbersich 75m 3 75 MeBbersich 10 V 40 120 Thermoelemente Typ J K T Typ SP Werkseinstellung Bei Ue gt 2 5 Vss Einschr nkung der Me frequenzen beachten Vergleichsrme stelle eingebaut in der Anschiu platte APO9 e G ltig f r Uess lt 2 5V bei Range 10V entspricht 25 Aussieuerung des Bereiches G ltig f r Uess lt SV bei Range 10V entspricht 50 Aussieuerung des Bereiches gt Bei Widerstandsthermomsiern und Thermoelementen ohne Funktion gt F r WieBberciche gt SY bzw 25mV bzw gt 10mA sonst lt 0 1 WE K Typ J 210 11989C Typ K 230 1370 C Typ T 200 3920C Typ amp 50 1769 5 Autor Roland Schaller 114 123 Diplomarbeit Gewichtssenso Einkanal Verst rkereinschub MLO1B Fortsetzung Langzeitdrift ber 48 Stunden mit ohne Autokalibrierung Me bereich 75 mV Me bereich 10V Thermoelemente mit ohne Autokalibrierung
4. Kalibrierung Gewicht kg 0 1 Bild 71 Frontpanel des Funktionsdemonstrators Einlesen der Daten D GC et Ke BES I Skalierung DL S Ackhiot Ur ham Achaiot Uwe Mam s Ackhiot KI Be GAA il Gale d ai a ht a UN s ActPlot Urve Mar ActPiot aT E TE TE SE 5 3 Ti b H fT Gewicht kg Bild 72 Backpanel Autor Roland Schaller 87 123 r Diplomarbeit Gewichtssensor 6 Ergebnis und Ausblick Ergebnis Aufgrund von immer wieder auftretenden Verletzungen bis hin zum Tod bei der Airbagausl sung insbesondere im Zusammenhang mit relativ kleinen Personen bzw Reboard Kindersitzen welche sich relativ nahe im Anschlussbereich des Airbags befinden sowie der Reaktion des Gesetzgebers auf diesem Umstand entstand die Notwendigkeit der Gewichtssensierung der Insassen auf dem Fahrer und Beifahrersitzes f r die fallspezifische Ausl sung im Crashfall Als Ergebnis der im Rahmen der Diplomarbeit bei der Firma Bosch in Stuttgart durchgef hrten Forschung entstand ein nahezu serienreifer bidirektionaler vorzeichenrichtig messender auf dem klassischen Doppelbiegebalken beruhender Kraftmessbolzen heran welcher die Vorteile bietet mit relativ geringem konstruktiven Eingriffen und somit geringen finanziellen Aufwand in die bestehende Sitzkonstruktion integrierbar zu sein Seine weiteren Vorz ge liegen in der M glichkeit der Selbst und Funktionsdiagnose im Preis Kompak
5. Der Topfbolzen ist eine Weiterentwicklung der vorausgegangenen Prototypen Er besteht im Prinzip aus zwei Teilen einem klassischen W gelement im Inneren gr n hervorgehoben und einer Glocke rot zur Krafteinleitung Die beiden Teile wurden getrennt voneinander gefertigt und anschlie end beim Prototypen verschraubt In der Endfertigung sollen sie entweder verschwei t oder w lzbundgenietet werden Da die Verschraubung zus tzlich Platz beansprucht ist diese unerw nscht weil an den Stellen an welchen die Sensoren in die Sitzkonstruktion integriert sind ansonsten nicht ausreichend Platz zur Verf gung steht Wichtig ist dabei dass sich der in der Glocke integrierte Magnet nicht gegen ber dem Innenteil verdrehen kann da sich ansonsten der Arbeitspunkt des Hallelements verschieben w rde und es somit Zu einer unterschiedlichen Aussteuerung f r die beiden Belastungsf lle Druck und Zug kommen w rde Das W gelement kann sowohl mit einem Hallsensor welcher in der neutralen Phase montiert wird als auch mit DMS an der Oberfl che best ckt werden In den nachfolgenden Fotografien ist der Sensor einmal im zusammengebauten Zustand das Innenteil mit Hallelement best ckt und in der Ansicht von vorne abgebildet Ze K H bes WEN Bild 57 KMB Version 5 0 Topfbolzen bidirektional gesamt Innenteil W gelement Frontalansicht Vorteile des Topfbolzens Sein erster Vorteil liegt in der relativ einfachen und kosteng nstigen Fert
6. 5 PC Windows NT 4 0 Autor Roland Schaller 40 123 Diplomarbeit Gewichtssensor 3 1 4 Diverse Einstellungen an den Messger ten 3 1 4 1 Messwertaufnahme mittels Messverst rker und Software MGC Beam Gewonnen wurden die neuen Erkenntnisse mit Hilfe eines Messverst rker der Firma Hottinger Baldwin Messtechnik Modell MGC Plus und der zugeh renden Software MGC Beam welche die M glichkeit bietet die ermittelten Datens tze in Form einer Excel Tabelle f r die weitere Bearbeitung abzuspeichern Der Messverst rker kann verschiedene Einsch be zum Messen diverser elektrischer Gr en aufzunehmen Da der KMB mit einem DMS und einem Hallsensor gepr ft wurde waren folgende Einsch be zu verwenden e ML10 f r DMS Messung in Halb Vollbr cke e ML30 f r DMS Messung in Vollbr cke e MLO1 f r HALL Messung von Spannung oder Thermoelement Um die Daten in speicherbarer Form z B eines Excel Files nach der Messung vorliegen zu haben ist es wesentlich eine Verbindung zwischen dem Computer und dem Messverst rker herzustellen Dies gelingt in dem die nachfolgenden beschriebenen Konfigurationen durchgef hrt werden Die erw hnten Bilder befinden sich im Anhang Nach dem Aufruf der Software ffnet sich das Startfenster Bild 83 Schnittstellenauswahl welches die Auswahl des Betriebsmodus und der Schnittstelle erlaubt Gew hlt wurde die Betriebsart als Messger t im Onlinebetrieb und eingelesen wurden die Daten ber die parallele Sch
7. Ohm 220 5000 110 5000 In Verbindung mit Anschlu platte AP14 In Verbindung mit Anschlu platte APO8 60 5000 In Verbindung mit Anschlu platte AP 18 0 10 3 06 0 20 6 12 0 40 12 24 10 306 20 612 40 1224 Spannungseingang mit max 2 5V Amplitude 6 12 612 2 5V 3 06 12 24 306 Nennwert fc 1dB Hz Hz Hz ms ms 2000 2100 3000 0 32 0 33 1000 1025 1130 0 5 0 42 500 503 590 0 8 0 68 250 246 291 1 45 1 3 80 79 99 3 65 3 8 40 37 5 495 6 7 20 19 255 11 13 3 10 89 12 4 20 26 5 45 6 2 42 50 30 5000 1 0 30 6 100 3060 3dB Laufzeit Anstiegszeit U schw of ba 17 5 15 1 11 3 10 amp O10 N 115 123 r Diplomarbeit Gewichtssensor Einkanal Verst rkereinschub ML10B Fortsetzuno Me frequenzbereich Nennwert fc idB 3dB Laufzeit Anstiegszeit schw Tiefpa mit Bessel Charakteristik Hz Hz Hz ms ms 50000 54000 93000 0 0051 0 004 2 Low 50000 55000 93000 0 0051 0 004 2 High 10000 9900 16500 0 017 0 022 2 1000 1040 1250 0 4 0 37 12 400 450 800 0 6 0 51 4 0 200 235 410 1 1 0 86 1 3 100 117 210 1 8 1 7 1 3 40 38 5 68 4 3 5 1 1 20 22 375 7 4 9 4 1 10 10 5 19 12 19 0 5 5 1 9 6 22 35 5 0 2 5 2 6 4 8 50 70 0 1 25 1 35 2 4 100 135 0 0 5 0 7 1 2 200 280 0 0 2 0 17 0 3 650 1100 0 0 1 0 08 0 15 1400 2200 0 0 043 0 075 3000 4600 0 Hochpa bei Tiefpa Bessel
8. DMS Konstruktion Folien DMS mit eingebettetem Me gitter Me gitter Werkstoff Konstantanfolie Dicke um 3 8 oder 5 je nach DMS Typ Tr ger Werkstoff Polyimid Basisdicke pm 45 10 Deckendicke um 25 5 Anschl sse nickelplattierte Cu B nder ca 30 mm lang bei DMS ohne Anschlu B ndchen integrierte Anschlu fl chen ca 1 5 mm lang ca 1 6 2 2 mm breit Nennwiderstand Q 120 350 700 oder 1000 je nach DMS Typ Widerstandstoleranz 0 3 ohne 0 35 mit Anschlu b ndern au er bei den KY Typen pro Kette 0 5 k Faktor ca 2 Nennwert des k Faktors auf jeder Packung angegeben k Faktor Toleranz bei 0 6 mm und 1 5 mm Me gitterl nge 15 bei 3mm Me gitterl nge Ya 1 Temperaturkoeffizient des k Faktors 4 1 K ca 115 10 10 Nennwert des Temperaturkoeffizienten des k Faktors auf jeder Packung angegeben Referenztemperatur C 23 Gebrauchstemperaturbereich f r statische d h nullpunktbezogene Messungen C 70 200 f r dynamische nicht nullpunktbezogene Messungen C 200 200 Querempfindlichkeit bei Referenztemperatur unter Verwendung von Klebstoff Z 70 0 1 am DMS Typ LY11 6 120 Temperaturgang auf jeder Packung angegeben Temperaturgang nach Wahl angepa t an W rmeausdehnungskosffizienten D ct f r ferritischen Stahl 1 K 10 8 10 6 a t r Aluminium 1 K 23 10 a f r Kunststoff 17K 65 10 amp f r austenitischen Stahl W K 16 10 ca f r Titan 1 K 9 106 o f r Molybd n 1 K 5 4 106 a f r Quar
9. auszulegen F r den elektrischen Anschluss ist ein max 4 pol Stecker bzw ein Kabelschwanz mit max 4 Litzen vorzusehen Zun chst sollen sowohl ein DMS Aberiff als auch ein Hall IC Abgriff zur Erfassung der Dehnung bzw Auslenkung betrachtet werden 1 2 Einbauort Der Kraftmessbolzen dient als Ersatz f r die Befestigungsschrauben des Sitzes mit den Verstellschienen Bei Sitzen mit H henverstellung muss besonders darauf geachtet werden dass die Gewichtskraft immer senkrecht auf die auszulenkenden Schenkel des Bolzens einwirkt Daf r muss eine Verdrehsicherung vorgesehen werden Die Einbauwinkeltoleranz darf maximal 5 betragen 1 3 Einbau Dieses Erzeugnis muss einstellfrei montierbar sein Der Kraftmessbolzen wird von einer Seite durch die Bohrungen eingef hrt und anschlie end per Mutter oder Seegering gesichert Ein einmaliger elektrischer Abgleich nach dem Einbau bzw Tausch ist m glich 1 4 Messgr e Die zu messende Gr e st das Gesamtgewicht welches s ch auf dem Sitz befindet Als Messgr en dienen maximal vier Einzelgewichte die senkrecht auf die Kraftmessbolzen in der Sitzbefestigung einwirken Befindet sich die Gurtschlossbefestigung unterhalb der Messstellen dann muss die Gurtkraft zusatzlich erfasst werden 1 5 Umgebungsbedingungen Es gelten die Bedingungen im Fahrgastraum Autor Roland Schaller 97 123 Diplomarbeit Gewichtssensor 1 5 1 1 5 2 1 5 3 1 5 4 1 6 1 7 2 0 Sch ttelbelas
10. eingesetzten Schrauben Eine eventuelle Fertigung des Sensors d rfte aufgrund seiner Einfachheit relativ kosteng nstig ausfallen Die erste Modifikation zur Version 2 0 besteht darin dass dieser Sensor nur mit Hallelement best ckt ist Die Applikation eines DMS ist bei dieser Art der Konstruktion eher schwierig Verbaut wurde der Hallsensor KSY 14 von Infineon Dieser erlaubt keine Selbstdiagnose wie bei den sp ter verwendeten Sensoren von Melexis Der zweite Unterschied besteht in der mechanischen Konstruktion Bei der Version 1 0 und 2 0 war der Bolzen im Bereich des Gewindes geschlitzt Da daraus das Problem resultierte dass der Sensor durch die Sicherungsmutter einen zus tzlichen Offset erfuhr bzw dass er nicht mehr hinreichend befestigt werden konnte wurde die Konstruktion ge ndert Der Kraftmessbolzen weist im Bereich des Kopfes nach dem Gewinde einen durchgehenden Schlitz auf Im Belastungsfall bewegt sich nun der rot hervorgehobene Teil in Richtung des gr nen und mit ihm der angebrachte Magnet Dies f hrt zu einer Ver nderung des Spaltes und somit der Flussdichte und bewirkt damit eine Variation des Ausgangssignals des Hallelements Diese Konstruktion erm glicht einen effektiven berlastschutz Wird der Bolzen belastet so kommt es zu einer zunehmenden Verengung des Luftspalts Ist dieser Null so wirkt der KMB mechanisch gesehen wie eine normale Schraube mit nahezu gleichem Querschnitt und gleicher Festigkeit Bei den ersten Probeu
11. er 80 Grad nicht mehr gegeben Da fur den KMB bei der Sitzverstellung aber nur wesentlich kleinere Winkelanderungen erlaubt sind kann man im weiteren Verlauf der Datenauswertung auf eine Mittelung der 5 Messreihen fur die weiteren Schlussfolgerungen verzichten und immer nur die Werte der Messung 1 heranziehen Die Linearitatsabweichung berechnet sich wie folgt Le Istwert Sollwert 100 1 f MB Istwert gemessener Wert Sollwert Wert der Regressionsgeraden MB zugeh riger y Wert bezogen auf den Messbereich von 500N Bild 36 y 0 1825 500 5 2349 Autor Roland Schaller 53 123 Diplomarbeit Gewichtssensor 1400 CO y 2 4013x 24 17 1200 O 1000 gt 800 N 600 Dehnung um m 400 1 N CH Abweichung von der Regressionsgeraden in Messung 1 Messung 2 Messung 3 Messung 4 200 1 D 0 Messung 5 Abweichung Linear Messung 1 I O 200 A CO 0 100 200 300 400 500 600 Kraft N Bild 37 Kennlinie KMB 2 0 Reproduzierbarkeit der Kennlinie und Abweichung bei a 0 Grad f r 2P Auflage In Bild 37 ist wieder die Reproduzierbarkeit der KL f r f nf Einzelmessungen funfmaliges Be und Entlasten des Gewichtssensors f r die Winkelstellung O Grad und Zweipunktauflage dargestellt Die wiederum auf der Sekundarachse abgebildete minimale bzw maximale Abweichung von der Regressionsgeraden
12. ngigen Messergebnissen widerspiegelt l sst dies den Schluss zu dass es sich um keinen Messfehler handelt Autor Roland Schaller 64 123 Diplomarbeit Gewichtssensor 4 2 5 Dynamische Messungen 300 250 N Q CH Ma HEEN Linear Gesamtgewicht z DMS pw 2 DMS Iv1 DMS rh2 NEE S 150 DMS Ih3 u Gesamtgewicht D G D ID gt lt CH CH 50 0 0 20 40 60 80 100 120 140 Zeit s Bild 48 Autobahn fur KMB Version 2 0 400 DMS pw DMS Iv1 350 I DMS rh2 DMS Ih3 300 Gesamtgewicht Linear Gesamtgewicht Go 250 E D S 200 E Q H 150 E D 5 lt 100 50 0 50 0 10 20 30 40 50 60 70 Zeit s Bild 49 Bremsen und Beschleunigen fur KMB Version 2 0 Autor Roland Schaller 65 123 Diplomarbeit Gewichtssensor DMS pw DMS Iv1 DMS rh2 DMS Ih3 Gesamtgewicht Linear Gesamtgewicht Ausgangsspannung mV Zeit ms Bild 50 Steinplatten fur KMB Version 2 0 Bewertung der Messergebnisse Wie in Bild 48 bis Bild 50 zu erkennen ist kommt es durch die von au en auf das Feder Masse System einwirkenden Krafte zu einem zeitlichen Variieren des durch die vier Sensoren ermittelten Gewichts und da
13. t vr EE Build Aua Intensit t vI Hz D O d uild Array Build Array Intensit t rh D 2 oo ore bai Build Array Build Array Intensitatlh SS gt LO Ss Farben 4 4 P Position 108 123 Diplomarbeit Gewichtssensor 11 4 Ausz ge aus den Datenbl ttern Infinson KSY 14 Inahneleglier Absolute Maximum Ratings Operating temperature ef D Storage temperature D Thermal conductivity soldered in air Cinc Electrical Characteristics T 25 C Nominal supply curren mo j Jm pen circuit sensitivity 190 260 VIAT pen circuit Hall voltage 95 130 mW I Jun B 0 1T Ohmic offset voltage Fan I Jun RB 0 T Linearity of Hall voltage Fi B 0 0 5T B 0 1T Input resistance B 0 T 900 1200 LO Output resistance B 0 T 900 1200 L Temperature coefficient of the Er 0 03 0 07 open circuit Hall voltage f f 8 0 1 T Temperature coefficient of the internal JC oun rm resistance B 0 T Change of offset voltage within the Aan 7 a2 mY temperature range Inductive zero component As cm In 0 1 AOL 0 65 l With time varying induction there exists an inductive voltage Fing between the Hall voltage terminals supply current J Di Fag tp a dale x 107 with Lin Als fom INT Ks ei Data Sheet 2 2000 07 01 Autor Roland Schaller 109 123 Diplomarbeit Gewichtssensor DMS der Serie Y En a _ Z L Technische Daten
14. unter 45 Grad einwirkt der Versatz des Innenteils in die x und y Richtung nicht gleich gro ist Dies kommt dadurch zustande dass ja der Bolzen einem Doppelbiegebalken entspricht und dieser nur sensitiv auf Kr fte reagiert die in der Messrichtung auf die Balken einwirken nicht aber auf Querkr fte Ergebnis dieser Untersuchung ist das Hallelement und den Magnet symmetrisch bez glich der L ngsachse des KMB zu platzieren Diese Zusammenh nge sind in der nachstehenden Abbildung noch einmal verdeutlicht Autor Roland Schaller 78 123 Diplomarbeit Gewichtssensor belastet mit Druck belastet mit Druck belastet mit Zug Stellung 0 Grad verdreht 45 Grad verdreht 45 Grad Bild 62 Querschnitt des KMB Version 5 0 bei Belastung Dieser Einfluss k nnte mit einem KMB nach der Reluktanzmethode verhindert werden da dann das Magnet und das Hallelement im Mittelpunkt des Doppelbiegebalken liegen w rde und somit keine Asymmetrie bez glich der L ngsachse auftreten w rde Autor Roland Schaller 79 123 Diplomarbeit Gewichtssensor 4 5 4 Einfluss der Sitzh henverstellung 800 700 O Q O OH Q oO CA Q O Ausgangsspannung mV D O O N Q O 100 Reihe1 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Winkel Grad Bild 63 Hysterese bei der Hohenverstellung KMB Version 5 0 Wie aus dem oben gezeigten Diagramm hervorgeht ist die H
15. 08 0 1 25Hz Rauschspannung Einflu der Umgebungstemperatur bei 10K nderung auf die digitalen Signale S1 Brutto und S2 Netto bei eingeschalteter Autokalibrierung Me empfindlichkeit Nullpunkt bei ausgeschalteter Autokalibrierung Me empfindlichkeit Nullpunkt lt 0 01 typ 0 005 lt 0 1 lt 0 2 lt 2 lt 0 02 typ 0 01 v E 2 lt 0 1 2 Linearit tsabweichung Langzeitdrift ber 48h mit ohne Autokalibrierung Analog Ausg nge Uai und Ua2 Tragerrestspannung mVss lt 3 Langzeitdrift ber 48h mV lt 3 Werkseinstellung 1 gemessen bei Ug 5V und Eingangssignal 2mV V 2 f r MeBbereiche gt 1mV V Up 5V sonst lt 0 2 Autor Roland Schaller 117 123 Gewichtssensor Diplomarbeit 11 5 Konstruktionszeichnungen der einzelnen Prototypen md LL E onen yen O S UOISIOA ISYUSYNY USZIOAISSSWIYEIY a m a tege Da e hi l ET EEN P ei ee conte a d e y un nen m nme E 196 95 GLEDE TA Bild 93 Topfbolzen KMB Version 5 0 Au enteil 118 123 Autor Roland Schaller Gewichtssensor Diplomarbeit O S UOISIOA IIO USUU USZIONISSSWIYEIY jeuonysap q sBeyneyyund UOJ E 1296299 GLEDE TIA Bild 94 Topfbolzen KMB Version 5 0 Innenteil 119 123 Autor Roland Schaller Diplomarbeit Gewichtssensor 11 0 gepr ft 215 0 N Dh E L
16. 200kg Bild 42 Abweichung in von der Regressionsgeraden fur die einzelnen Winkelstellungen als Funktion des Gesamtgewichtes ohne Teflonscheiben fur KMB Version 2 0 In Bild 42 ist die relative Abweichung von der Regressionsgeraden fur die jeweiligen Winkelstellung als Funktion des Gesamtgewichtes ohne Teflonscheiben dargestellt Dies zeigt dass bei einer starkeren Belastung des Sitzes 50 kg ein wesentlich starkerer Messfehler auftritt als bei kleiner Belastung 10 kg Weiter ist auch ersichtlich dass die Abweichung von der Regressionsgeraden und damit auch der gemessene Fehler weitgehend unabhangig ist von der Hohe des Sitzkissens und somit von der Winkelstellung Ein Zusammenhang zwischen der Winkelstellung und dem Fehler ist in diesem Versuch aufgrund der undefinierten Reibungsverhaltnisse nicht gegeben Autor Roland Schaller 59 123 Diplomarbeit Gewichtssensor 0kg 10 kg l 20 kg 4 30 kg gt 40 kg 3 e 50 kg Abweichung vom MB 200kg Winkel Grad Bild 43 Abweichung des Gesamtgewichtes in Bezug auf die Regressionsgerade bezogen auf den MB 200kg ohne Teflonscheiben fur KMB Version 2 0 In Bild 43 ist die Abweichung des Gesamtgewichtes in Bezug auf die Regressionsgerade fur den Fall dass keine Teflonscheiben zwischen den sich verdrehenden Schenkel der Hohenverstellung verwendet wurden dargestellt
17. 60 kg gemessen werden soll Der mechanische Anschlag Uberlastgrenze wird bei ca 60 kg erreicht Die Uberlast kann bis zum 3 fachen Wert anwachsen 222 Signal Ausgangsgr e Das S gnal ist vorzugsweise eine elektrische Spannung U welche zwischen U 0 5 V und 4 5 V liegt vgl 2 2 Kennlinie Im Storungsfall liegt die ausgegebene Spannung au erhalb des o a Signalspannungsbereiches Autor Roland Schaller 99 123 Diplomarbeit Gewichtssensor 2 3 Genauigkeit Die Gesamtgewichtskraft Ws muss bei Ws 39 kg auf 4 kg genau gemessen werden Das entspricht einer Gesamtgenauigkeit lt 10 v MW Ansonsten gilt folgendes Diagramm 2 3 1 Aufl sung Reproduzierbarkeit Hysterese Alterung Die Summe aller Fehler muss kleiner als 10 v MW bei Fs 39 kg bleiben 2 4 Kurzschlussfestigkeit Der einzelne Kraftmessbolzen muss eine Kurzschlussfestigkeit des Signal Ausgangs nach Masse und bis 16 Volt aufweisen Au erdem muss der einzelne Kraftmessbolzen einen Verpolschutz aufweisen Autor Roland Schaller 100 123 Diplomarbeit Gewichtssensor 11 2 Hardware Aufbau der SC 2043 SG External Excitation External Power 5V Gnd Onboard Extemal Excitation Internal Onboard Extemal Jumpers 2 5V Power Power Supply Excitation Converter Selection Switch Half Bridge Completion Reference EXD CHO Lowpass Filter 01 D CH9 i Buffered Ka v E Local Excitation S 1 Sense Jumper 5 En Offset 2 ACHT
18. DMS rel DAG Channel Basics d n valid Yes di Channel Type IF Device Name DAGCard 1200 l Ay Device Number Devi rJ Device Channel Channel 0 rg Scale Type Custom DMS ry Input Mode H nreferenced Ei Sensor ctuator Type Voltage Ei SersorActuator Range 0 06 to 0 06 4 n Physical Range 1200 00 to 120 CC Type dr ATO Resistance i ry Excitation Current ra Curent Sense Resistor ag DMS ri fal Hall lh al Hall ki orc Hall rh rc Hall ri Ger te und Schnittstellen a DAG Card 1200 Device 1 Be Ports Serial amp Parallel ER Ml Instrumente jet Devices Ce Instrument Drivers Logical Names 7 e Virtual Instruments Ee Skallerungen What do you wantio do ai Insert a new DAG virtual channel si esta channel Duplicate a channel a Remove a channel a View or change channel propernes Bild 88 Konfigurationsfenster in MAX Fa Input Configuration EZ Channel Name Description Edit Name Sensor Hardware Misc Device Voltage v Det DAGCard 1200 v Euren Sense Heeistor Valle Units y SE 243 hie fc sl pes otonom conce run j 200 00 ran F 06 Coupling Einrent E 1000 re tere max fi 200 00 T Scientific Notation max om T Scientific Notation E InpubMGde Noneferenced Single Ended v MeasuementMode Voltage Y Advanced User Value User E
19. Diese Einfl sse verhindern eine genaue Ermittlung des Gesamtgewichtes und sollten daher so klein wie m glich gehalten werden Sie bilden einen Teil der Grauzone Grayzone welche in der Einleitung erw hnt wurde H henverstel Position 0 Grad WW Position 50 Grad e KMB Sitzschiene Bild 28 Prinzip der Sitzh henverstellung In Bild 28 sind die Bewegungen bei der Sitzh henverstellung dargestellt Die Sitzh henverstellung erfolgt elektrisch mit Hilfe eines Motors Dieser greift an den hinteren unteren Schenkeln des Systems an und verdreht sie je nach gew nschter Sitzh he Die angetriebenen Schenkel k nnen so Positionen zwischen 0 Grad tiefste Position des Sitzes und 50 Grad h chste Position einnehmen Dadurch hebt sich der hintere Teil des Sitzes und aufgrund der Konstruktion folgt der vordere Teil dieser H henbewegung Wie auch aus Bild 28 hervorgeht erfolgt die H henverstellung hinten st rker als vorne Der KMB ist gegen unbeabsichtigtes Autor Roland Schaller 44 123 Diplomarbeit Gewichtssensor Verdrehen gesichert F r die Aufnahme der Messdaten wurde der Schenkel der Hohenverstellung in F nfgradschritten von O bis 50 Grad verdreht Der Sitz wurde mit 10 20 30 40 und 50kg schweren Sands cken belastet Dies diente der Nachbildung eines Fahrgastes Es wurden die Messungen einmal mit und ohne Teflonscheiben durchgef hrt Vermutet wurde dass die Teflonscheiben Kraftnebenschl sse minimieren k nnte
20. Diplomarbeit Gewichtssensor 4 2 Der Kraftmessbolzen Version 2 0 F Hallelement Bild 34 Sensor der Version 2 0 unidirektional In der Bild 34 ist der Sensor der Version 2 0 erkennbar Er bietet die M glichkeit sowohl mit einem Hallelement als auch einem DMS zu arbeiten So ist der DMS im Kopfbereich befestigt und der Hallsensor samt Magnet an der gegen berliegenden Seite Die mechanische Konstruktion ist wieder hnlich der Version 1 0 gleich einem geschlitzten Bolzen Damit ergibt sich wieder ein hervorragender berlastschutz Eine St rke dieser Variante ist die relativ einfache Fertigung Es handelt sich dabei um einen Drehteil der ges gt werden muss und eine Bohrung aufweist Damit ergeben sich in Herstellung geringe Kosten Ein gro er Vorteil dieses Sensors ergibt sich ebenfalls durch seine Kompaktheit da er von den Abmessungen genau der entfernten Schraube entspricht es somit zu keiner nderung der vorhandenen Sitzkonstruktion kommen muss Beim Kraftmessbolzen der Version 2 0 wurde der gravierende Nachteil der ungeeigneten Befestigung gegen ber Version 1 0 behoben Diesen Effekt versuchte man bei dieser Version durch einen Sicherungsring zu beheben So sitzt dieser relativ locker in seiner Nut und bewirkt kein Zusammendr cken der beiden Schenkel der Schraube Leider trat dadurch ein weiteres unerwartetes Problem auf n mlich dass der Segerring nicht in der Lage war seitliche Kr fte wie sie etwa in Kurvenfahrten auftret
21. Erannel Scaling Formula DMs x lt None Selected gt Jemp EB U eq ls CS zs Bild 89 Analog Input Konfigurationsfenster in MAX Autor Roland Schaller 106 123 Diplomarbeit Gewichtssensor I Custom Scale Configuration Scale Name E Edit Name Description Scale Type Linear Scale Linear Coefficients 2 06 005 vem b 1 EE 005 m 20000 0000 T SE 731 06 005 b 0 0000 a E Scientific Notation 50E 004 0 0E 000 y scaled v raw Cancel Bild 90 Konfigurationsfenster des DMS in MAX Channel Hames Out ot lange H aru Local Channels DMS Ih3 H OMe bet Avg Yale 171 7578 Lit Hall lh DMS rhe ean A Char Range Hall Mi Hall the 1200000 Hall md 600 000 0 000 600 000 1200 000 700 43 Sample Hate D 000 0 Bild 91 Testfenster Autor Roland Schaller 107 123 Diplomarbeit Gewichtssensor gt _Messbolzen_mod2 vi Diagramm atei Bearbeiten Bearbeiten Ausf hren Werkzeuge Du number of scans to read 500 7 1500 scan rate 1000 scans sec 0000 00 EASUREMENT DAT LE ees 7 pP Kurve Name Kurve Name po Kuve Name Boolesch 3 DI Bild 92 Functionpanel Autor Roland Schaller Steigung Hall D atenaufnahme LTE MEASUREMENT DATA EL j Latest Readings Gesamtgewicht kg Sail Ka X Komponente Ss Ka Intensit
22. KMB 2 0 Kennlinien bei den Winkeln o 0 bis 85 Grad fur 2P Auflage In Bild 38 sind die einzelnen Belastungskennlinien fur die unterschiedlichen Winkel a in denen die Kraft eingeleitet wurde dargestellt Wie deutlich ersichtlich ist nimmt mit zunehmendem Winkel die Empfindlichkeit und damit die Steigung der Regressionsgeraden ab Dies bedeutet dass bei einer Verdrehung Richtung gr erer Winkel durch die gleichbleibende einwirkende Kraft ein immer kleines Ausgangssignal generiert wird In gegenw rtigen Fall entspricht dies einer kleineren Dehnung des DMS und somit einem kleineren Widerstands nderung Erkennbar ist aus dieser Messung dass es bei einer Verdrehung des Bolzens zu einer falschen Ermittelung des Gewichtes der zu sch tzenden Person kommen w rde Verdeutlichen kann man sich das sehr gut in dem man die beiden Extremf lle 0 und 85 Grad vergleicht W hrend im ersten Fall das K rpergewicht zu 100 erkannt wird w re im zweiten nur mehr ein Restgewicht von 10 erkennbar Das zu erwartende Ergebnis wird hier best tigt namlich dass die Empfindlichkeit des Kraftmessbolzens im System bei einer Verdrehung stark abnimmt Zusammengefasst und leichter verst ndlich wird das im nachfolgenden Bild Autor Roland Schaller 55 123 Diplomarbeit Gewichtssensor Empfindlichkeit Empfindlichkeit Kosinusfunktion 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Winkel Grad B
23. Platzverh ltnisse wesentlich geeigneter erscheinen Um die Kosten der Endfertigung zus tzlich zu senken ist es vorstellbar die Glocken der KMB in die Schenkel der Sitzh henverstellung zu integrieren indem das verwendete Material in eine geeignete Form gepresst w rde Das f r die Weiterentwicklung des Messsystems notwendige Interesse ist wie aus Besprechungen mit Daimler Chrysler bzw der Keiper Recaro Gruppe hervorgeht auf jeden Fall vorhanden Autor Roland Schaller 91 123 Diplomarbeit Gewichtssensor 7 Verwendetet physikalische Symbole Mechanische Gr en go 3 no pr O Dicke des Pl ttchens Dehnung Fl che Druck Kraft Masse Beschleunigung Erdbeschleunigung Elektrische Gr en Elektrische Spannung Potential Ohmscher Widerstand Strom Ladung Hallspannung Hallkonstante spezifischen Widerstrand Magnetische Gr en e lt uU oorge U ce y magnetische Flussdichte magnetischer Fluss magnetische Feldst rke magnetische Durchflutung Induktivit t Verschiebungsflussdichte magnetischer Widerstand magnetische Spannung Permeabilit t Permeabilitat des Vakkums relative Permeabilitat Autor Roland Schaller m m m kam s Nm VAsm kgms N VAsm kg VAs m 4 me ms Miriam A e Q 1VA A As C V Im As Om kgs A Vs m T kgm s A Tm Vs Am A kgm s A Qs H Asm Cm A s
24. den Bolzen wirkende Kr fte in die Richtung der Gewichtskraft zeigen Es muss aber auch der Fall ber cksichtigt werden dass sich der Insasse stark nach hinten lehnt und sich zus tzlich mit den F ssen abst tzt Siehe dazu den zweiten Fall in der nachfolgenden Abbildung Dabei kommt es vorne zu einem Entlasten und hinten zu einem st rkeren Belasten des Sitzes In diesem Fall kann es vorkommen dass die Kr fte im vorderen Bereich des Sitzes in die Gegenrichtung zu denen im hinteren gerichtet sind und daher bei der Summenbildung negativ ber cksichtigt werden m ssen Um diesen Fall zu beherrschen muss der Sensor in der Lage sein Druck und Zug unterscheiden zu k nnen Bei unidirektionalen Bolzen wo nur die Betragsanteile der Kr fte addiert werden k nnen erh ht sich die Summe und damit der Messfehler um den doppelten Anteil der negativen Kr fte Die richtige Ermittelung des Gewichts ist besonders wichtig im Zusammenhang mit Kindern und der sogenannten 5 Frau Ohne bidirektionale Messung w rde in F llen wie in Bild d gezeigt ein zu hohes Gewicht ermittelt werden berschreitet das Gewicht die Schwelle f r Low Risk Deployment so werden die Insassen f lschlicher Weise als normale Erwachsene sensiert Dies bedeutet ein normales Ausl sen des Airbags und somit ein erh htes Risiko f r diese Gruppe der Fahrzeuginsassen Die Sitzkonstruktion ist in zwei verschiedenen Positionen mit den auftretenden Kr ften im folgenden Bild dargestellt Di
25. den Einfluss der Sitzh henverstellung treffen zu k nnen wurden Messungen im Labor durchgef hrt Aussagen ber das Verhalten des Sensor im Fahrbetrieb konnten nat rlich nur abgeleitet werden in dem die Testanordnungen in ein Fahrzeug implementiert wurden 1 3 4 Pflichtenheft des Kraftmessbolzens im Anhang ist das komplette Pflichtenheft ersichtlich Autor Roland Schaller 18 123 Diplomarbeit Gewichtssensor 2 Grundlagen der Kraftmesstechnik 2 1 Einleitung Um Kraft messen zu k nnen ben tigt man zwei aufeinander abgestimmte Messsysteme Einen mechanischer Teil bei dem durch die Krafteinleitung entweder eine Weg nderung oder eine mechanische Spannungs nderung auftritt Die mechanische Prim rgr e wird in ein elektrisches Signal mittels mechanische Spannung messenden DMS oder wegmessenden Hall Magnet System umgewandelt In der nachstehenden Abbildung ist die Belastung des Topfbolzen gezeigt Bild 9 Belastungsf lle Topfbolzen Weg nderung auftretende Spannungen Im linken Bild ist die nderung des Weges erkennbar Blau bedeutet keine nderung des Weges wogegen rot eine Auslenkung widerspiegelt Augenf llig ist dass die Glocke Topf bei Belastung in sich steif bleibt und daher eine ideale Krafteinleitung erlaubt Im rechten Bild sind die Bereiche in denen unterschiedliche Spannungen auftreten erkennbar Stark mechanisch beanspruchte Bereiche sind rot dargestellt wogegen nicht beanspruchte blau sind Diese Spann
26. den verschiedenen Parametern der Applikation und deshalb nur f r repr sentative Beispiele angegeben 2 Bei Me gitterl ngen von 0 6 mm kann der Nennwiderstand um 1 abweichen F r die Typen LY51 LY5x betr gt die Abweichung 0 75 Autor Roland Schaller 110 123 Diplomarbeit Gewichtssensor Datenbl tter f r Precision Quad OP Single Supply TLC274 TLC274A TLC274B TLC274Y TLC279 LinCMOS PRECISION QUAD OPERATIONAL AMPLIFIERS LOSIJE SEPTEMBER 1987 REVISED AUGUST 1341 Trimmed Offset Voltage TLO27T9 900 uV Max at 25 C Vpp 5 YW Input Offset Voltage Drift Typically 0 1 wV Month Including the First 30 Days Wide Range of Supply Voltages Over specified Temperature Range OC to 70 C 3V to 16V 40 C to 85 C 4V to 16 V 55 C to 125 C 4V to 16V Single Supply Operation Common Mode Input Voltage Range Extends Below the Negative Rail C Suffix and Suffix Versions Low Noise Typically 25 nV VHz at f 1kHz Output Voltage Range Includes Negative Rail High Input Impedance 1012 0 Typ ESD Protection Circuitry Small Outline Package Option Also Avallable in Tape and Reel Designed In Latch Up Immunity description The TLC274 and TLC279 quad operational amplifiers combine a wide range of input offset voltage grades with low offset voltage drift high input impedance low noise and speeds approaching that of general purpose FEI devices These dev
27. der Kopf T r Fenster und Sitzlehnenairbags vorangetrieben Vor allem den Auswirkungen der negativen Effekte m ssen sich die Autohersteller Zulieferer und Entwickler stellen Als erstes Land der Welt wird in den USA der Schutz von Airbagfehlausl sungen in der Autor Roland Schaller 8 123 Diplomarbeit Gewichtssensor sogenannten FMVSS 208 vorgeschrieben In diesem Gesetz sind Testkonstellationen festgeschrieben die Pr fverfahren vorgeben bei denen die Kraftfahrzeuge im Gegensatz zu normalen Crashtests still stehen Innen werden zur Pr fung Dummies verwendet und g ngige Typen von Kindersitzen Ber cksichtigung finden bei diesen Test erstmals die Gruppe von Kindern bis zu einem drei und sechs Jahren und die sogenannte F nf Prozent Frau welche einer 46 7 bis 51 3 kg schweren und bis zu 150 cm gro en Person entspricht Wie aus dem Diagramm herauszulesen ist sollen die einzelnen Gruppen durch den Sensor voneinander selektiert werden Es gibt zwei Zust nde f r den Airbag Aus Supressed und Ein Enable Dazwischen gibt es die sogenannte Grauzone Gray Zone die durch das zus tzliche Gewicht des elektrisch verstellbaren Sitzes Messfehler und den Kraftnebenschluss ber den Boden durch die Beine auf 12 eingeschr nkt wird Nat rlich w re die Personenerkennung prinzipiell auch ber die K rpergr e m glich doch gestaltet sich dieser L sungsansatz wie im Weiteren beschrieben und auf Grund der geringen Grauzone von nur 4 al
28. kommt es theoretisch zu einer Drehung im Bereich von max 10 Grad Zusammenfassend ist zu sagen dass zwar die Zweipunktaufnahme einen Vorteil in Punkto Empfindlichkeit f r sich verbuchen kann aber durch ihre zus tzliche Reibung eben diesen wieder verspielt Aus diesem Grund Autor Roland Schaller 57 123 Diplomarbeit Gewichtssensor ist man auch bei der weiteren Entwicklung von dieser abgekommen was sich sp ter in der Version 5 0 widerspiegeln wird Da die Kennlinie theoretisch einer Kosinusfunktion entsprechen m sste kann die Abweichung von dieser als Einfluss der Querempfindlichkeit interpretiert werden 4 2 3 Einfluss der Sitzh henverstellung Grunds tzlich wurde der Einfluss der Sitzh henverstellung untersucht Da der Schluss nahe liegt dass Reibung zwischen den Schenkel der H henverstellung auftreten kann wurden diese Untersuchungen zweimal durchgef hrt Einmal ohne Teflonscheiben als Unterlegescheibe zwischen den sich verdrehenden Schenkel der Sitzh henverstellung und einmal mit Im zweiten Fall erhoffte man sich eine Verminderung der Reibung Im folgenden werden die Ergebnisse ohne Einbringung einer Teflonscheibe betrachtet 500 400 T x 20 Grad 7 e 25 Grad j 30 Grad 35 Grad 300 40 Grad Go e 45 Grad A 50 Grad ZO 200 Ausgangsspannung mV 100 0 10 20 30 40 50 Gesamtgewicht kg Bild 41 Skalierungs
29. links und gestoppt mit der Stopptaste daneben bzw rechts oben Durch das Dr cken der Taste Datenaufnahme konnten die Messwerte f r die diversen Belastungsf lle in eine TXT Datei geschrieben werden Die vier roten Felder indizieren das ermittelte Gewicht der einzelnen Sensoren und geben dieses farblich codiert von schwarz bis wei wieder Der gelbe Punkt in der Mitte repr sentiert die Lage des Schwerpunktes Im Feld Messdaten links unten konnte der zeitliche Verlauf der einzelnen Signale verfolgt werden Aufgenommen wurden die Daten in dem der Sitz mit den diversen Gewichten belastet wurde und mittels der Taste Datenaufnahme im Frontpanel die Daten f r ein beliebige Zeit aufgenommen werden konnten Diese Werte wurden dann in der Autor Roland Schaller 48 123 Diplomarbeit Gewichtssensor Excel Tabelle gemittelt um etwaige Unregelm igkeiten zu reduzieren Gemessen wurde zuerst immer in der Lage a 0 Grad und ohne Gewicht Diese Messung diente zur Ermittlung der Nullpunktverschiebung der Sensoren Dann wurden schrittweise die Messpunkte f r die einzelnen Winkelstellungen und die einzelnen Gewichte ermittelt 3 3 Dynamische Messungen 3 3 1 Versuchsbeschreibung Ziel dieses Versuches ist es herauszufinden wie sich der KMB in Kombination mit der Sitzkonstruktion w hrend des Einsatzes im Kraftfahrzeug verh lt Untersucht wurden die verschiedenen Fahrsituationen wie Beschleunigen Bremsen und Befahren diverser Stra enbel gen w
30. ratings only and functional operation of the device at these or any other conditions beyond those indicated under recommended operating conditions is mot implied Exposure to absolute maxiimum rated conditions for extended perlods may affect device reliability NOTES 1 All voltage values except differential voltages are with respect to network ground 2 Olfferential voltages are at the noninverting input with respect to the inverting input 3 The output may be shorted to either supply Temperature ardor supply voltages must be limited to ensure that the maximum dissipation rating ls not exceeded see application section DISSIPATION RATING TABLE Ta 25 C DERATING FACTOR Ta fC Ta 65 C Ta 125 C POWER RATING ABOVE Ta 25 C POWER RATING POWERRATING POWER RATING DD mi TIR 1375 mW 11 0 mir 1375 mi 11 0 mir 1575 mi 12 6 mW PC TOO ma 5 6 mW PACKAGE Supply voltage Von Common mode input voltage Mie Operating free air temperature Ta INSTRUMENTS POST io 655309 DALLAS TEMAS TRIES 2 5 POT OFFICE BOE 1449 HOUSTON TEXAS Trost 1443 Autor Roland Schaller 112 123 Diplomarbeit Gewichtssenso TLC274 TLC274A TLC274B TLC274Y TLC279 LinCMOS PRECISION QUAD OPERATIONAL AMPLIFIERS SLOS0608 SEPTEMBER 1987 REVISED AUGUST 1994 electrical characteristics at specified free air temperature Vpp 10 V unless otherwise noted PARAMETER TLO2T4Ac input offset voltage TLO2746C Lange 0 Av
31. tzende Person in einem Bereich n her als 10 Zentimeter vom ffnungsdeckel entfernt in absoluter Lebensgefahr schwebt Ein Beifahrer der seine F e auf das Armaturenbrett legt seinen Kopf vorbeugt um seine Schuhe zu zubinden oder im Handschuhfach etwas sucht l uft Gefahr schwer in Mitleidenschaft gezogen bzw sogar durch den Lebensretter get tet zu werden Es drohen Verletzungen wie Prellungen Platzwunden oder Tod durch Genickbruch Die eben erl uterten gef hrlichen Sitzpositionen werden im Englischen unter dem Begriff Out Of Position zusammengefasst und untersucht Dieser Bereich in dem eine Schutzeinrichtung den Airbag der Situation angepasst ausl st soll und im Englischen mit Keep Out Zone KOZ bezeichnet wird ist in Bild 1 dargestellt Tolerance Gray 60 mm Zone 30 mm Blocked Area KOZ K eep Out Zone Bild 1 Position des Fahrzeuginsassen Autor Roland Schaller 7 123 Diplomarbeit Gewichtssensor Der Fahrerairbag verhindert dass sich der Lenker des Kraftfahrzeugs durch das Lenkrad schwere Verletzungen zuzieht auch wenn er seinen Sicherheitsgurt vorschriftsm ig verwendet Eine gro e Gefahr geht vor allem vom Beifahrerairbag aus da dieser ein enormes Volumen von 130 Litern aufbaut mehr als doppelt so viel wie ein Fahrerairbag und deshalb beim Entfalten eine enorme zerst rende Kraft entwickeln kann Der Beifahrerairbag ist dazu gedacht einer berdehnung der Nackenmuskulatur entgegenzuwirk
32. und berpr fen zus tzlich den ordnungsgem en Zustand der Kabel Zundkreise und der Z ndelemente Im Fehlerfall aktiviert das Steuerger t die Kontrollleuchte und speichert den Fehler Der Inhalt der Fehler und Crash Daten Speichers kann ber eine serielle Schnittstelle ausgelesen und verwertet werden F llt das Bordnetz bei einem Crash aus stellt eine Energiereserve f r eine festgelegte berlebenszeit die Datenspeicherung sicher Autor Roland Schaller 30 123 Diplomarbeit Gewichtssensor Im Steuerger t sind folgende Funktionen integriert e Aufprallerkennung durch Beschleunigungssensoren und Sicherheitsschalter oder durch zwei Beschleunigungssensoren e Zeitrichtige Ansteuerung der Auslosekreise von Airbags und Gurtstraffer bei unterschiedlichen Aufprallarten z B frontal schr g versetzt Pfahl e Spannungswandler und Energiespeicher f r den Fall dass die Versorgung durch die Fahrzeugbatterie verloren geht e Selektive Ausl sung der Gurtstraffer abh ngig von der Gurtschlossabfrage Z ndung nur bei belegtem Gurtschloss e Einstellen zweier Airbagausl seschwellen abh ngig davon ob der Insasse angeschnallt ist oder nicht e Anpassungen an die verschiedenen Fahrzeugmerkmale Energieabsorption des Fahrzeugvorbaus und Schwingungsverhalten der Karosserie e Diagnose gerateinterner und externer Funktionen bzw Systemkomponenten Abspeichern von Fehlerarten und dauern mit Crashrecorder Auslesung ber Diagnosesc
33. 5 ist die Reproduzierbarkeit der Kennlinie f r f nf Einzelmessungen f nfmaliges Be und Entlasten des Gewichtssensors f r die Winkelstellung 0 Grad und Einpunktauflage dargestellt Erg nzt wurde die Regressionsgerade rot mit ihrer zugeh rigen Geradengleichung Die Abweichung von der Regressionsgeraden ist auf der Sekund rachse aufgetragen Sie gibt die prozentuelle Differenz zwischen dem idealen w nschenswerten Sensor und dem realen wieder Die minimale bzw maximale Abweichung von der Regressionsgeraden die auf den Messbereich von SOON bezogen wurde betr gt hier fur O Grad und Einpunktauflage maximal L 3 95 4 59 Die Kennlinie soll zeigen dass die Messergebnisse f r die Winkelstellungen o bis ca 80 Grad relativ gut reproduzierbar sind weil diese sich beinahe decken Bei gr eren Winkel vgl Bild 36 liegen die Kurven wesentlich gestreuter was zum Ausdruck bringt dass hier die Messergebnisse nicht mehr reproduzierbar sind Autor Roland Schaller 52 123 Diplomarbeit Gewichtssensor y 0 1825x 5 2349 Dehnung um m Messung 1 Messung 2 Messung 3 Messung 4 Messung 5 Linear Messung 1 0 100 200 300 400 500 600 Kraft N Bild 36 Kennlinie KMB 2 0 Reproduzierbarkeit der Kennlinie bei o 85 Grad fur 2P Auflage Wie aus den Kennlinien erkennbar ist eine Reproduzierbarkeit der Messergebnisse fur Winkel gr
34. 5Hz oder Butterworth 10Hz 0 1 und 1 0 Max zul ssige Glelchtaktspannung Be a Gleichtaktunterdr ckung DMS gt 120 DC Potentiometer gt 95 DC Linearit tsabweichung lt 0 03 typ 0 02 vom Endwert Sit rspannungen am Ausgang DMS Potentiometer Rauschspannung bezogen auf den Eingang 0 2 6 12mV V 20 612mV V bei gew hltem Tiefpa fiiter Bessel 50000Hz 31 120 10000Hz 2 60 1000Hz 1 2 20 100Hz 0 3 10 Einfiu der Umgebungstemperatur bei 1 OK nderung auf die digitalen Signale Si und S2 Bei eingeschalteter Autokalibrierung Bei ausgeschalteter Autokalibrierung DMS Low Me empfindlichkeit lt 0 03 lt 0 2 Nullpunkt lt 0 6 lt 10 Potentiometer High Me empfindlichkeit lt 0 03 lt 0 2 Nullpunkt lt 30 lt 500 Langzeitdrift ber 48 Stunden DMS Low lt 0 25 lt 5 Potentiometer High lt 20 lt 400 Analog Ausg nge Uai und Ua2 Tr gerrestspannung mVss lt 5 Max Abweichung der Analogausg nge vom Digitalwert mV lt 10 Langzeitdrift ber 48h 1 gt wm Zitt mV Werkseinstellung 1 Bei Halbbr cke 20uV V Wir empfehlen nur bis zu einer Grenzfrequenz von 10kHz zu messen Autor Roland Schaller 116 123 D lomarbeit Gewichtssensor Einkanal Verstarkereinschub ML30B Genauigkeitsklasse 0 03 Tragerfrequenz Hz 600 15 0 06 synchronisiert 600 00 0 04 unsynchronisiert Br ckenspeisespa
35. 77251 1443 Autor Roland Schaller 111 123 Diplomarbeit Gewichtssensor TLC274 TLC274A TLC274B TLC274Y TLC279 LinCMOS PRECISION QUAD OPERATIONAL AMPLIFIERS SLOS0608 SEPTEMBER 1987 REVISED AUGUST 1894 absolute maximum ratings over operating free air temperature range unless otherwise noted T Supply voltage Yon see Note 1 ee ae ee ne SEM Differential input voltage Vip see Note 2 a ee EH tV po ee ene AE e NEE EEE EEE ERSTER TER 0 3V to Von Input current ee De ee Bee a oh ale ee d I Output current Io each output E ee ee tet eines Sd oan Bal ncaa len kale elm Robie tetera Bada adr o Bir Total cument imo YDD 40 000000 aaau ceca lectek ac Re Total current out of GND BE EE 45 mA Duration of short circuit current at or below 250 see Note CR See e deer unlimited Continuous total dissipation E E emia tits ee See Dissipation Rating Table Operating free air temperature Ta C suffix BEN a oe eee aoe aah takes e DPC IO TU l suffi A fo 88 C Meute mm Le IO 1257 Storage temperature range teens Er Case temperature for 60 seconds FK package Keier nn FIT Lead temperature 1 6 mm 1 16 inch from case for 10 seconds D N or r PW package e DUT Lead temperature 1 6 mm 1 16 inch from case for 60 seconds J package 300 C T Stresses beyond those listed under absolute maximum ratings may cause permanent damage to the device These are stress
36. Aus den vorausgegangenen Untersuchungen konnten prinzipielle Erkenntnisse ber den KMB ohne Umgebungseinfluss wie die Abnahme der Empfindlichkeit und seine Linearit tsabweichung gewonnen werden Ein weiterer interessanter Aspekt ist wie sich der KMB in der verwendeten Sitzkonstruktion verh lt Ziel dieses Versuches war es herauszufinden wie die Sitzkonstruktion und somit die H henverstellung des Fahrer und Beifahrersitzes die integrierten Sensoren beeinflu t W nschenswert ist es dass der KMB f r alle m glichen Einstellungen des Sitzes und bei allen Belastungsf llen das Gewicht stets hinreichend genau ermittelt Die Abweichungen von diesem Ideal und ihre Urspr nge sollen im folgenden herausgearbeitet werden Diese Untersuchungen sind deshalb unerl sslich weil der KMB bei der Sitzh henverstellung dahingehend beeinflusst wird dass er um ca 10 Grad verdreht wird und es daher zur Abnahme seiner Empfindlichkeit kommt Dieser Einfluss durch das Verdrehung des Bolzens ist relativ klein wie aus den vorrausgegangenen Untersuchungen hervorgeht Die Abnahme der Empfindlichkeit bis ca 10 Grad Verdrehung bei Zweipunktauflage betr gt nur ca 3 Eine wesentlich gr ere Auswirkung auf die Messgenauigkeit werden die zus tzlich auftretende Reibung und die Kraftnebenschl sse in der Sitzkonstruktion verursachen So tritt Reibung sowohl zwischen den bewegten Stanzteilen der Sitzkonstruktion als auch zwischen dem Sensor und diesen auf
37. Autobahn f r KMB Version 2 0 Bremsen und Beschleunigen f r KMB Version 2 0 Steinplatten f r KMB Version 2 0 KMB Version 3 0 unidirektional Autor Roland Schaller 60 61 62 63 Diplomarbeit Gewichtssensor Bild 52 MB Version 4 0 Ringbolzens bidirektional Au enteil Innenteil Bild 53 Reproduzierbarkeit der Kennlinie KMB Version 4 0 Bild 54 Belastungskennlinie f r mehrfache Belastung KMB Version 4 0 Bild 55 Abnahme der Empfindlichkeit KMB Version 4 0 Bild 56 Verst ndnisskizzen zur Erkl rung der auftretenden Effekte Bild 57 KMB Version 5 0 Topfbolzen bidirektional gesamt Innenteil W gelement Frontalansicht Bild 58 Reproduzierbarkeit der Kennlinie KMB Version 5 0 Bild 59 Belastungskennlinie f r mehrfache Belastung KMB Version 5 0 Bild 60 Ansprechen des berlastschutzes Bild 61 Abnahme der Empfindlichkeit KMB Version 5 0 Bild 62 Querschnitt des KMB Version 5 0 bei Belastung Bild 63 Hysterese bei der H henverstellung Bild 64 Einfluss der Torsion Bild 65 Beeinflussung des magnetischen Widerstandes Bild 66 Hystere bei Be und Entlasten der Sitzkonstruktion Bild 67 Der Sitz Demonstrator Bild 77 Messelement Bild 78 Detailansicht des Demonstrators Bild 79 Demonstator f r die Funktionsweise Bild 71 Frontpanel des Funktionsdemonstrators Bild 72 Backpanel Bild 73 Verlauf des Flusses Querschnitt durch den Topf des KMB 5 0 Bild 74 Innenteil des Topfbolzens Bild 75 KMB Ve
38. Bezogen sind die Werte auf den Messbereich von 200kg Im Gegensatz zum vorherigen Diagramm ist die Abweichung hier nicht uber dem Gewicht sondern ber dem Winkel dargestellt Dies l sst nun eine Aussage dar ber zu ob es einen Zusammenhang zwischen der Winkelstellung und dem Fehler gibt Deutlich zu erkennen ist der Trend dass es im Bereich bis 20 Grad zu einer erh hten Abweichung und damit verbunden zu einem Ansteigen des Messfehlers kommt Erkennbar ist auch dass es keinen Zusammenhang zwischen Winkelstellung und auftretendem Fehler gibt Es tritt hier kein Effekt auf dass z B mit zunehmendem Winkel auch der Fehler ansteigen w rde Weiter ist kein Bezug zwischen aufgelegtem Gewicht und einem Ansteigen der Abweichung zu erkennen Die maximale Abweichung vom Messbereich betr gt 5 5 und 3 5 Autor Roland Schaller 60 123 Diplomarbeit Gewichtssensor Es folgt nun der direkte Vergleich mit den Messergebnissen bei Verwendung von Teflonscheibe Abweichung vom MB 200kg Winkel Grad Bild 44 Abweichung des Gesamtgewichtes in Bezug auf die Regressionsgerade bezogen auf den MB 200kg mit Teflonscheiben f r KMB Version 2 0 In Bild 44 ist der gleiche Zusammenhang dargestellt wie in Bild 43 nur f r den Fall dass Teflonscheiben verwendet werden Zu erwarten war dass deren Verwendung zu einer Abnahme der Abweichung von der Regressionsgeraden und damit zu einer Minimierun
39. CE ausgestattet sind und die Firma NI keinen Compiler anbietet der das VI von Lab View fur dieses Betriebssystem kompilieren kann wurde ein Einkarten PC als Alternative gew hlt Ein weiteres Problem das sich ergab war dass die verwendete D A Karte einen PCMCIA Slot erfordert der in den meisten Handhelds nicht vorhanden ist Einzige verf gbare Ger te waren ein Pocketcomputer von HP und ein Palm 5 1 Sitzdemonstrator Im Bild ist der modifizierte Sitz dargestellt Er erm glicht es das Gewicht in verschiedenen Belastungsf llen zu ermitteln Dieser Demonstrator kann sowohl auf Ausstellungen als auch im Auto integriert gezeigt werden Die Daten werden mittels Notebook ermittelt Zur Darstellung der wichtigsten Informationen w hrend der Pr sentationen wurde an den tragbaren PC ein externes Display angeschlossen und am Armaturenbrett montiert Zur Pr sentation au erhalb des Kraftwagens wird der Sitz mit einem 12V Netzteil versorgt um alle elektrischen Verstellungen des Sitzes durchf hren zu k nnen Er erlaubte es die diversen auftretenden Einfl sse wie die durch die Sitzkonstruktion den Kraftwagen die zu sch tzende Person und den Gurt zu untersuchen Es k nnen Analysen bez glich der H henverstellung Fahrbahneinfluss Out Of Position Miss Use durchgef hrt werden KMB Messelektronik Bild 67 Der Sitz Demonstrator Autor Roland Schaller 84 123 Diplomarbeit Gewichtssensor 5 2 Demonstrator des Messprinzip
40. Diplomarbeit Gewichtssensor Entwicklung eines Sitzbelegungssensors f r die Airbagansteuerung Diplomarbeit TUG ausgefuhrt am Institut f r Elektronik der technischen Universit t Graz Vorstand O Univ Prof Dr phil H Leopold von Roland SCHALLER F757 9430024 Betreuer Dipl Ing Anton Dukart Robert Bosch GmbH Begutachter Dipl Ing Dr techn Ass Prof Bernd Eichberger Graz 1m Dezember 2001 Autor Roland Schaller 1 123 Diplomarbeit Gewichtssensor TU Graz Studiengang Elektro und biomedizinische KE Fachbereich Elektrotechnik Goes TUG Eidesstattliche Erkl rung Ich erkl re hiermit an Eides statt dass ich die vorliegende Diplomarbeit selbstst ndig und ohne unzul ssige fremde Hilfe angefertigt habe und dabei keine anderen als die angegebenen Quellen und Hilfsmittel verwendet wurden Die verwendeten Literaturquellen sind im Literaturverzeichnis vollst ndig aufgef hrt Stuttgart den 30 11 2001 Roland Schaller Autor Roland Schaller 2 123 Diplomarbeit Gewichtssensor Danksagung Zuerst m chte ich mich bei der Robert Bosch GmbH f r die Initiierung dieser Diplomarbeit und der daf r bereitgestellten R umlichkeiten Ger tschaft Materialien und dem guten Essen in der Kantine bedanken Mein weiterer Dank gilt im Einzelnen Herrn Dipl Ing Anton Dukart der als Betreuer am Arbeitsplatz mit seiner fachlichen und menschlichen Unterst tzung wesentlich zur Entstehung diese
41. ISO 11 519 2 e ber 125 kBit s als ISO 11 898 Autor Roland Schaller 35 123 Diplomarbeit Gewichtssensor 3 Untersuchungsmethoden 3 1 Krafteinleitung und Lage des Kraftmessbolzens im System 3 1 1 Reproduzierbarkeit Abnahme der Empfindlichkeit Die erste interessante Frage welche sich stellte war wie die Bolzen in die Sitzkonstruktion aufgenommen werden k nnen Diese berlegungen waren notwendig um Klarheit dar ber zu erlangen in welcher Weise die Krafteinleitung durch die Sitzkonstruktion in den KMB erfolgen kann Weiter ist die Konstruktion der Bolzenaufnahme verantwortlich f r die auftretende Reibung Die Analysen sollen Aufschluss geben wo und in welcher Gr enordnung die auftretenden Komponenten der Reibung sind Untersucht wurde ob die bestehende Aufnahme in der Lage ist nahezu reibungsfrei zu arbeiten oder ob die Konstruktion des Sitzunterbaus ver ndert werden muss Grunds tzlich wurden zwei Arten der Krafteinleitung auf ihre Vor und Nachteile getestet e Einpunktaufnahme e Zweipunktaufnahme Diese sind die in Bild 22 dargestellt Zu sehen ist einerseits der Schnitt durch die Aufnahme der Versuchsanordnung inklusive dem jeweiligen KMB F r die bessere Vorstellung ist daneben der Bolzen einschlie lich den auftretenden Kr ften welche in ihn eingeleitet werden und als Pfeile dargestellt sind noch einmal dreidimensional abgebildet Einpunktauflage 1P Zweipunktauflage 2P Bild 22 Prinzip der Krafteinl
42. Komponenten der Kraft Messaufbau Messfenster Datenfluss im MGC Beam Prinzip der Sitzhohenverstellung Einbauplatz der Teflonscheiben Problemstelle in der Sitzkonstruktion Messaufbau Labor KFZ Frontpanel KMB Version 1 0 unidirektional Sensor der Version 2 0 unidirektional Kennlinie KMB 2 0 Reproduzierbarkeit der Kennlinie und Abweichung bei a 0 Grad f r 1P Auflage Bild 36 Bild 37 Bild 38 Bild 39 Bild 40 Bild 41 Skalierungsfaktor f r das Gesamtgewicht ohne Teflonscheiben f r KMB Version 2 0 Bild 42 Abweichung in von der Regressionsgeraden f r die einzelnen Winkelstellungen als Kennlinie KMB 2 0 Kennlinie KMB 2 0 Kennlinie KMB 2 0 Kennlinie KMB 2 0 Kennlinie KMB 2 0 Funktion des Gesamtgewichtes ohne Teflonscheiben f r KMB Version 2 0 Bild 43 Abweichung des Gesamtgewichtes in Bezug auf die Regressionsgerade bezogen auf den MB 200kg ohne Teflonscheiben f r KMB Version 2 0 Bild 44 Abweichung des Gesamtgewichtes in Bezug auf die Regressionsgerade bezogen auf den MB 200kg mit Teflonscheiben f r KMB Version 2 0 Bild 45 Reproduzierbarkeit des Gesamtgewichtes mit Teflonscheiben und Belastung mit 40 kg bei einmaligem Nullabgleich f r KMB Version 2 0 Bild 46 Hysterese beim Hoch und Runterfahren des Sitzes mit Teflonscheiben f r KMB Version 2 0 Bild 47 Hysterese in bezogen auf 500N f r 1P und 2P Aufnahme ermittelt f r 250N f r KMB Version 2 0 Bild 48 Bild 49 Bild 50 Bild 51
43. Kraft auszul sen Aber auch schon sehr einfache Vorkehrungen wie die Faltung des Airbags haben Einfluss auf den von ihm ausgehenden Gef hrdungsgrad Bei der normalen Konstruktion liegen die einzelnen Lagen des Airbags bereinander wie bei einer Ziehharmonika Bei einer ausgel sten Z ndung wird zun chst das ganze Paket in Richtung Innenraum geschleudert bevor es sich dort mit enormer Gewalt aufbl st Es ist wesentlich besser die H lle in Lagen nebeneinander zu falten Ein weiteres Problem ist das n tige Durchsto en des Armaturentragers oder der Abdeckplatte Da momentan Deckel ohne sichtbarer Nut von den Designern gefordert werden ergeben sich dadurch Probleme So braucht der Airbag eine wesentlich h here Kraft um diese Klappen ffnen zu k nnen und es kann auch zur Ausbildung von scharfen Bruchkanten kommen die ihrerseits wieder eine erneute Gefahr f r den Passagier darstellen Ein weiterer L sungsansatz ist ein zwei oder mehrstufiges Z ndsystem bei der die erste Explosion wesentlich schw cher ist als eine gesamte Entladung der Gaspatrone bei einstufiger Ausl sung Je nachdem ob der Airbag kollidiert werden die weiteren Stufen ausgel st oder nicht ber zwei Jahrzehnte nach Einf hrung der ersten Airbags beginnt man jetzt die Probleme die bei deren Entfaltung verursacht werden ernst zu nehmen und zu beheben Mehr vom Marketing als von sicherheitstechnischer Notwendigkeit motiviert wurde in den letzten Jahren die Entwicklung
44. Magnetkreises je nach Auslenkung ver ndern Es w rde keine Unsymmetrie bez glich der Rotationsachse des KMB auftreten und damit auch eine ideale Kennlinie in Bezug auf die Abnahme der Empfindlichkeit erreicht vgl Bild 61 Damit w re der Umstand behoben dass das Maximum der Empfindlichkeit nicht bei Null Grad auftritt E 006 DE Un JE DOG cE Q06 F ut Wb 2 U06 JE 006 6E O0b6 3E 006 IK 0 75 Frese KL Weg Bild 73 Verlauf des Flusses Querschnitt durch den Topf des KMB 5 0 In Bild 73 ist die geometrische Anordnung der Konstruktion des KMB inklusive der auftretenden Feldlinien und die zugeh renden Simulationsergebnis in MAXWELL zu sehen Diese wurden von meinem Betreuer Anton Dukart ausgearbeitet und zur Verf gung gestellt Zu sehen ist der lineare Zusammenhang zwischen dem auftretenden Fluss im Hall IC welcher durch die Abstands nderung zwischen Topf und Innenteil des KMB entsteht bei verschiedenen Belastungsf llen Der auftretende Fluss kann nun wieder ein elektrisches Signal im verwendeten Hall IC generieren Autor Roland Schaller 89 123 Diplomarbeit Gewichtssensor Weiter die Entwicklung einer geeigneten Methode den Hallsensor und das zugeh rende Magnet in das bestehende System von Topf und Doppelbiegebalken m glichst einfach und kosteng nstig zu integrieren Derzeit muss der Magnet m hsam in eine am Topf angebrachte Bohrung eingeklebt werden Das Hallelement ist ebenfalls relativ zeitaufwen
45. O Half Bridge Nulling O Completion Circuit 5 DACIOUT 3 3 O 9 st 2 S EX1 2l Se J D m t kel 5 z CH1 al o Lowpass Filter bi Tol S z EX1 S gt e CD Half Bridge iert R Completion en g D Jumper w 3 S EX7 o CH7 E Lownass Fitter ken Se Zz DE f St Offset Bere Nulling Local Excitation ompienon rout Sense Jumper Jumper Circuit P Quarer Bridge Completion Resistor User Installed VO Screw Terminals Unused Analog Digital and Timing UO Lines of MIO MIO E or Lab 1200 Series Board Bild 80 Blockschaltbild Analogkarte Autor Roland Schaller 101 123 Diplomarbeit Gewichtssensor Half Bridge EX Half Bridge Completion Jumper Half Bridge Completion Reference l IL AR iii WER i r Zei Ej f a AIS Pole ae i b fT Dr 42 4 a k ty 1 47 E nalen de tad HDE ER cy EE In I 45 g 4 R ote HELE GK ZEN I Er ete A4 H La Stes ORT III k e t EIS cy Lel HOD ES SR lc KANTE BIER t Ha 0 k t tt 331323 l fe ryt a D OR Pe es A CUE Cit 3 it EUR a 45 L mop ke b Wi i AAPA SA AG ASS SSIS a aT a GEI Le e LEE ae E a E ee ee a Lo LAJ D tfo Oji IN EEEIEE D Se Fei t Ke Ee i Vit Be Dr Guil az Caf Cy 34 ck
46. Regelungssystemen im Kraftfahrzeug wie z B Fahrdynamikregelung elektronische Motorsteuerung elektronische Wegfahrsperre ABS usw erfordern eine Vernetzung zwischen den einzelnen Steuerger ten Der Informationsaustausch zwischen den Systemen verringert die Anzahl der Sensoren und verbessert die Ausnutzung der Einzelsysteme Die Schnittstellen der speziell f r Kraftfahrzeuge entwickelten Kommunikationssysteme k nnen in zwei Kategorien unterteilt werden Station 3 e konventionelle Schnittstellen e serielle Schnittstellen z B Controller Area Network CAN Getriebe Motor bzw steuerung Pumpensteuerung Station 1 Station 2 ABS ASR Elektronische MSR ESP Wegfahrsperre Bild 21 konventionelle serielle Daten bertragung Station 4 2 4 5 1 Konventionelle Daten bertragung Die konventionelle Daten bertragung ist dadurch gekennzeichnet dass jedem Signal eine Einzelleitung zugeordnet ist Signale k nnen nur bin re Zust nde annehmen z B Bremslicht ein oder aus ber Tastverh ltnisse k nnen kontinuierlich ver nderliche Gr en bertragen werden Der zunehmende Datenaustausch kann aber mit dieser Art der Schnittstellen nicht mehr vern nftig bew ltigt werden Die Komplexit t der dadurch geforderten Kabelb ume ist schon heute nur mehr mit gro em Aufwand beherrschbar Autor Roland Schaller 33 123 Diplomarbeit Gewichtssensor 2 4 5 2 Serielle Daten bertragung CAN Controller Area Network Die auftreten
47. Typ J T Typ K 2 Typ S 3 Einflu der Umgebungstemperatur bei 10K nderung auf die digitalen Signale S1 und S2 mit Autokalibrierung ein aus Me empfindlichkeit Nullpunkt 10V Bereich 75mV Bereich 20mA Bereich Thermoelemente Typ J T Typ K 2 Typ S Analog Ausg nge Uai und Ua2 Tr gerrestspannung 38 4kHz Langzeitdrift ber 48h 1 Typ J 99 1198 C Typ T 200 393 C 5 10 0 5 1 0 25 0 5 05 1 1 2 lt 0 02 typ 0 01 lt 0 2 typ 0 1 lt 0 2 lt 6 lt 5 lt 50 lt 4 lt 120 lt 0 25 lt 2 5 lt 0 5 lt 5 lt 7 lt 10 lt 12 lt 3 2 Typ J 210 1198 C Typ K 230 1370 C Typ T 200 393 C 3 Typ S 50 1769 C Einkanal Verst rkereinschub ML10B Br ckenspeisespannung i 5 Me gr enaufnehmer DMS Voll und Halbbr cke Potentiometer piezo resistive Auf nehmer DMS Viertelbrucke Piezoelektrische Aufnehmer Stromgespeiste piezoelektrische Aufnehmer z B Deltatron von Br ll amp Kjaer Gleichspannungs Verst rker Me bereiche DMS Low Potentiometer piezo resistive Aufnehmer High Ladungsverst rker Br ckenabgleichbereich DMS Low Potentiometer piezo resistive Aufnehmer High Ladungsverst rker Me frequenzbereich Tiefpa mit Butterworth Charakteristik Werkseinstellung 1 Bei max 25 Aussteuerung Uass max 5V Autor Roland Schaller 5 2 5
48. assen st ndig berwachen Allerdings k mpfen die diversen Entwickler noch mit gravierenden Problemen Man muss sich sicher sein wer auf dem Sitz Platz genommen hat bevor man den Airbag z ndet oder nicht Bislang ist man nicht in der Lage zu erkennen ob der Beifahrer zu weit nach vorne gebeugt ist oder einen Gegenstand in der Hand h lt den zu besch digen es v llig ungef hrlich w re Deshalb ist man dazu bergegangen den Fahrgast ber sein K rpergewicht zu erkennen Dies kann mittels unterschiedlicher Methoden erfolgen wie Blase Sitzmatte Biegefeder und Kraftmessbolzen KMB Nat rlich bieten die einzelnen in Entwicklung bzw Erprobung befindlichen Systeme diverse Vor und Nachteile Blase Bladder Die Blase hat den Vorteil dass sie auf einem sehr einfachen Prinzip beruht und das Potential hat relativ preisg nstig realisiert zu werden Die Konstruktion beinhaltet einen mit Gel bef llten Beutel der in der Sitzfl che untergebracht ist Setzt sich der Fahrgast nun auf diese so steigt der Druck im Inneren entsprechend dem K rpergewicht an Dieser Druckanstieg kann gemessen werden Die Nachteile dieses System sind mangelnde Langzeitstabilitat und gro e Grauzone die durch einen zus tzlichen Druckanstieg bei Temperaturschwankungen entstehen Noch nicht gel st ist das Problem die H lle dauerhaft dicht zu schlie en um ein Austreten des Silikongels aus der Blase zu verhindern Weiter ist ein Zur cklehnen des Fahrgastes
49. auf SOON bezogen betr gt hier fur O Grad und Zweipunktauflage maximal L 3 89 6 42 Daraus kann man leicht ersehen dass die Zweipunktauflage hier nicht den erhofften Effekt bringt Die Hysterese ist durch Reibungsverminderung geringer die Nichtlinearit t jedoch gr er als bei der Einpunktauflage Eine m gliche Erkl rung f r dieses Verhalten liegt darin dass es zwar bei der Zweipunktauflage zu einem geringerem Verkippen und damit zu weniger Reibung im Bereich der Bolzenkopfes und des Sicherungsringes bzw der Sicherungsschraube kommt generell aber durch den zus tzlichen Schenkel der Einfluss der Reibungskomponente ver ndert wird Die Zweipunktauflage soll aber f r die weiteren Betrachtungen nicht aus den Augen verloren werden da sie eventuell auf Grund der geringeren Gefahr des Verkippens einen gewissen Vorsprung in Bezug auf die Lebensdauer erreichen kann Ein weiterer Punkt der gegen die Zweipunktaufnahme spricht ist dass die Sitzhersteller diese nur ungern umsetzen wollen da sie einen wesentlich h heren konstruktiven Aufwand bedeutet Autor Roland Schaller 54 123 Diplomarbeit Gewichtssensor 4 2 2 Abnahme der Empfindlichkeit 1400 2 4013x 24 17 1200 22 5 Grad 1000 45 Grad 67 5 Grad 80 Grad 800 85 Grad Linear 0 Grad 600 Dehnung um m 400 200 0 100 200 300 400 500 600 Kraft N Bild 38 Kennlinie
50. auswirken konnte soll nun im weiteren untersucht werden Li a Bild 30 Problemstelle in der Sitzkonstruktion Autor Roland Schaller 45 123 Diplomarbeit Gewichtssensor 3 2 3 Messaufbau 1 Demonstrator mit KMB 2 PC mit NI Karten Bild 31 Messaufbau Labor KFZ 3 2 4 Messger te Einrichtungen 1 Sitz mit KMB 2 Notebook PC Windows NT 4 0 3 8 Kanal Analogkarte NI SC 2043 SG 4 Analog Digital Karte NI DAQ 1200 Autor Roland Schaller 46 123 Diplomarbeit Gewichtssensor 3 2 5 MAX Measurement and Automation Tool Die Datenerhebung erfolgte mit Analogkarte SC 2043 SG der Firma National Instruments welche die Ausgangspannungen der DMS mit dem Faktor zehn f r die Analog Digital Karte DAQ 1200 verst rkte Bei der DAQ 1200 handelt es sich um eine Analog Digital Wandler Karte die wie schon der Name besagt eine analoge Ausgangsspannung in eine entsprechende digitale Gr e umwandelt Es wurde ein Nullabgleich in der Ruhestellung und ohne Belastung mittels Potentiometer der Analogkarte bzw Messsoftware durchgef hrt um Offsetfehler durch den Einbau Temperatur Feuchte usw zu kompensieren Sp ter wurde auf die SC 2043 SG verzichtet und es wurde eine eigene Karte gefertigt welche die Spannung direkt f r die DAQ 1200 aufbereiten konnte Die Daten wurden dann in Lab View mittels einem VI Virtuellem Instrument dargestellt Lab View ist eine revolution re M glichkeit welche zur L sung technischer Probl
51. beim Topfbolzen in Verbindung mit der Sitzkonstruktion fast keine mechanische Hysterese auftritt Um ein zufriedenstellendes Ergebnis bei der Ermittlung des Gewichtes mit dem KMB der Version 5 0 zu erreichen m ssen lediglich die Probleme der ferromagnetischen Beeinflussung mittels der neuen Konstruktion nach der Reluktanzmethode behoben werden Autor Roland Schaller 83 123 Diplomarbeit Gewichtssensor 5 Der Demonstrator Es handelt dabei sich um eine Konstruktion welche die Funktionalit t des entwickelten Prototypen widerspiegeln und veranschaulichen soll Er soll ein Begreifen des Problems erm glichen und ein relativ einfaches Abbild der realen Gegebenheiten darstellen Zwei Demonstratoren wurden im Rahmen der Diplomarbeit gefertigt Bei der ersten Version handelt es sich um den in der Daimler Chrysler E Klasse integrierten Sitz welcher mit vier Kraftsensoren der Versionen 2 0 und 5 0 ausgestattet wurde Mittels einer Analogkarte einer DAQ Karte Data Acquisition von NI Lab View und einem Notebook konnten die Messergebnisse visualisiert werden Um das entwickelte Produkt aber auch bei interessierten Kunden vorstellen zu k nnen wurden bei der Firma Bosch W nsche ge u ert den KMB in eine selbsterkl arende Anordnung zu integrieren und mittels PDA oder Palm die Messergebnisse der Sensoren mit Hilfe eines Lab View Vis darzustellen Das Frontpanel dieses Demonstrators wurde schon gezeigt Da aber die PDA bzw Palm mit Windows
52. ber im elastoplatischen Bereich nicht mehr angewendet werden Das grunds tzliche Prinzip des DMS besteht darin dass die auftretenden Spannungs nderungen einem auf einem Tr germaterial befestigtem elektrischem Leiter aufgezwungen werden der durch die resultierende Dehnung seinen Widerstandwert ndert Der Widerstandswert eines schlanken Leiters mit dem Querschnitt A der L nge und dem spezifischen Widerstrand p wird wie folgt beschrieben Ro Gleichung 2 Bei einer Dehnung tritt gleichzeitig Verl ngerung und Querschnittsminderung ein Die dadurch verursachte Widerstands nderung AR R l sst sich durch die partielle Differentiation der folgenden Gleichung beschreiben iR Re Gleichung 3 R p tl A Definitionsgem versteht man unter Empfindlichkeit eines Messelements das Verh ltnis der beobachtbaren nderung seiner Ausgangsgr e zu der sie verursachenden nderung der Eingangsgr e Die Eingangsgr e des DMS ist die Dehnung e und die Ausgangsgr e die dadurch verursachte Widerstands nderung AR R Der Zusammenhang zwischen den beiden Gr en wird mittels des k Faktors beschrieben el eye Gleichung 4 Autor Roland Schaller 24 123 Diplomarbeit Gewichtssensor 2 3 2 Wheatstone sche Br ckenschaltung Die mit Hilfe des DMS in ein elektrisches Signal umgeformte mechanische Gr e kann im weiteren mit einer Wheatstone schen Br ckenschaltung gemessen werden Eine nderung des Widerstandswertes des Dehnungssensors hat ei
53. bleme ergeben sich hier durch die Erh hung der gegenw rtigen Sitzkonstruktion was von den Fahrzeugherstellern in keiner Weise erw nscht ist und zus tzlich durch den mangelnden berlastschutz im Crashfall da sich die rot hervorgehobene Feder nach oben irreversibel verbiegen w rde Dies h tte zur Folge dass nach einem Crashfall keine zuverl ssige Messung mehr gegeben w re Das ist ein Nachteil der bei der erstgenannten Anwendungen unbekannt ist Es macht keinen Sinn die Kosten f r den Austausch des Insassenschutzes zu sparen und dann mit enormen Aufwand die defekten Sensoren zu ersetzen Weiter bef rchtet man aufgrund der ung nstigen Position des Sensors an der Unterseite der Sitzschienen eine Besch digung dieses schon vor dem Einbau ins Kraftfahrzeug und eine Funktionsbeeintr chtigung w hrend des Betriebes durch Verschmutzung Ein sehr wesentlicher Nachteil dieses Systems ist die resultierende Erh hung des H Punktes Huftpunkt Daraus resultiert eine von den Fahrzeugherstellern unerw nschte Verminderung der Kopffreiheit Autor Roland Schaller 11 123 Diplomarbeit Gewichtssensor 1 3 Einf hrung in die Gewichtssensierung Als im Moment vern nftigste Form den lebensrettenden Airbag situationsrichtig auszul sen erscheint der Kraftmessbolzen Dieser wird in die bestehende Sitzkonstruktion exakt an der Stelle eingebracht an der normalerweise eine Schraube sitzt welche die zur H henverstellung dienenden Schen
54. chgef hrt und dann anschlie end im Diagramm zusammengesetzt Eine Differenzierung der beiden Belastungsf lle konnte dadurch erzielt werden dass der Sensor um 180 Grad gedreht wurde und die jeweilige Stahlfeder mit Druck belastet wurde Daf r musste die Messeinrichtung derma en umgestaltet werden dass sie dies zulie Autor Roland Schaller 69 123 Diplomarbeit Gewichtssensor Ergebnisse 4 4 1 Reproduzierbarkeit Messung 1 Druck Messung 2 Druck Messung 3 Druck Messung 4 Druck Messung 5 Druck Messung 1 Zug Messung 2 Zug Messung 3 Zug Messung 4 Zug Messung 5 Zug Hallspannung mV Kraft N Bild 53 Reproduzierbarkeit der Kennlinie KMB Version 4 0 Es wurden wieder jeweils f nf Messungen f r die Feder 1 und Feder 2 durchgef hrt um zu zeigen dass die Messergebnisse auch reproduzierbar sind Die Kennlinie zeigt deutlich dass ab einer Kraft von ca 400 N der berlastschutz wirksam wird Dieser Effekt ist dadurch erkl rbar dass sich bei steigender Belastung der Luftspalt zunehmend vermindert bis er schlie lich bei ca 400N Null wird Das Resultat ist dass eine weitere mechanische Verformung und damit eine weitere Aussteuerung des Hallsensors unm glich wird weil es zu keiner weiteren Verschiebung der Magneten gegen ber dem Hallsensor kommen kann Deshalb kommt es zu keiner weiteren Zunahme der Halls
55. chkeit KMB Version 5 0 Fur die Ermittlung dieser vom Ringbolzen bekannten bidirektionalen Kennlinie wurde der Sensor sowohl mit Druck als auch Zugkraften in der Gr e von 500N belastet Wie aus der Kennlinie schon ersichtlich ist nimmt die Empfindlichkeit bei Belastung mit Druck als auch Zug mit zunehmendem Winkel ab Erkennbar ist dass sich das Maximum der Empfindlichkeit nicht wie erwartet bei 0 Grad befindet sondern bei ca 10 Grad Dieses Ergebnis ist nicht auf einen Messfehler zur ckzuf hren sondern hat seinen Ursprung in der Konstruktion des Messbolzens Der KMB beinhaltet nur ein Hallelement und ein Magnet Bei einer Krafteinleitung in der Ruhelage ohne Verdrehung befindet sich der Magnet immer in einem konstanten Abstand zum Hallelement und bewegt sich bei Belastung seitlich an ihm vorbei Wird eine Verdrehung bei gleichzeitiger Belastung des KMB durchgef hrt so kommt es zur Aufspaltung der Kraft in eine Normal bzw Tangentialkomponente Dies bewirkt dass ein seitlicher Versatz des Magneten zum Hallelement auftritt also der Abstand variiert F r unseren Fall bedeutet das bei Druckbelastung n hert sich der Magnet dem Sensor und er wird mehr ausgesteuert und erscheint empfindlicher Umgekehrtes gilt nat rlich fur Zugbelastung die eine Vergr erung des Abstandes bewirkt und somit eine scheinbare Abnahme der Empfindlichkeit Verwunderlich ist vielleicht auch dass bei einer Belastung des Kraftmessbolzens mit einer Kraft die
56. d 55 Abnahme der Empfindlichkeit KMB Version 4 0 Abschlie end ist noch die Abnahme der Empfindlichkeit des Sensors interessant Aufgrund des Mankos der viel zu gro en Hysterese wurde diese Messung aus Zeitgr nden nur mehr f r die Feder 1 durchgef hrt Das zu erwartende Resultat sollte sich prinzipiell f r die zweite Feder im wesentlichen nicht unterscheiden Auf eine Messung wurde aber aus den oben angef hrten Gr nden verzichtet Da die Konstruktion eine Unsymmetrie gegen ber der L ngsachse aufweist wurde eine Untersuchung in beide Richtungen durchgef hrt Das hei t es wurde der Sensor einmal um 90 Grad im Uhrzeigersinn und anschlie end um 90 Grad gegen den Uhrzeigersinn verdreht Wie aus der Kennlinie deutlich zu ersehen ist die Abnahme der Empfindlichkeit in beiden F llen unterschiedlich So ist das Maximum der Empfindlichkeit nicht wie erwartet bei 0 Grad sondern bei 45 Grad Weiter ist zu erkennen dass das Ausgangssignal von diesem Maximalwert ausgehend nicht kontinuierlich f r Druck und Zug symmetrisch abnimmt Es ist sogar noch erkennbar dass es ein lokales Minimum bei 10 Grad gibt Hier handelt es sich nicht um einen Messfehler sondern um zwei tats chlich auftretende Effekte die wieder der Unsymmetrie bez glich der L ngsachse zuzuschreiben sind Dies ist f r eine Messwertgewinnung nicht tragbar Erkl rt werden kann dies dadurch dass die Feder bei 90 Grad montiert ist und sich bis 90 Grad halbkreisf rmig
57. d der Nennwiderstand Ro eingef hrt Dieser Wert besagt dass vor Eintreten einer Dehnung alle Dehnmessstreifen den gleichen Widerstandswert aufweisen Ro R1 Ro R3 R Gleichung 7 Grundgleichung der Wheatstone schen Messbr cke bei Verstimmung Uu Ab AR AR AR Gleichung 8 U 2 2R AR AR AR AR Durch die Vereinfachungen dass die Widerstandsanderung AR sehr viel kleiner als Ro ist und beim Verformen von metallischen Werkstoffen weiter die Vereinfachung AR lt lt Ro angenommen werden kann resultiert der Zusammenhang zwischen Ein und Ausgangsspannung der Br cke der in nachfolgender N herungsformel beschrieben wird u Gleichung 9 U AR Das Messen mit DMS in der Anordnung der Wheatstone schen Br ckenschaltung erfordert das Vorhandensein aller Br ckenzweige wobei aber nicht alle mit DMS best ckt sein m ssen So kann man zwei oder drei der Br ckenzweige mit Festwiderst nden versehen Daraus ergibt sich die Anwendung als Voll Halb oder Viertelbr cke Die Bezeichnung bezieht sich nur auf den Teil der Br cke in dem die DMS eingesetzt sind Die Erg nzung der Br cke erfolgt wie aus dem folgenden Bild ersichtlich durch im Messger t angeordnete zuschaltbare Festwiderst nde Autor Roland Schaller 26 123 Diplomarbeit Gewichtssensor AuBenschaltung Erg nzungsschaltung Vollbr cke Halbbr cke Viertelbr cke Bild 15 Voll Halb und Viertelbr cke 2 3 3 Temperaturkompensation A
58. d in der linken Abbildung rot und gr n hervorgehoben Sie bertragen die Kr fte auf die am Innenteil Bild rechts orange hervorgehobenen Federn Die eingezeichneten Pfeile geben die m glichen Bewegungen der einzelnen Biegeelemente wieder Dieser Sensor bietet also im Vergleich zu den vorangegangenen Konzepten den Vorteil dass er bidirektional arbeitet Erkennbar wird dies in der nachstehenden Kennlinie wobei jeweils ein Magnet f r die Aussteuerung im I bzw Ill Quadranten zust ndig ist Wird der Bolzen belastet verbiegt sich eine der beiden Federn und es wird die angelegte Kraft auf eine der zwei Kunststofffedern des Innenteils bertragen Dadurch kommt es zu einer Verschiebung von einem der beiden Magneten gegen ber dem Hallelement und damit zur Entstehung einer Ausgangsspannung Probleme ergeben sich bei diesem Bolzen dadurch dass das Hallelement und die Magneten in einer definierten Geometrie zueinander stehen m ssen da eine Abweichung von dieser sich in einem verf lschtem Messergebnis widerspiegelt Dies war fertigungstechnisch sehr problematisch Ein weiteres Problem war auch die mangelnde Resistenz gegen Umwelteinfl sse wie Schmutz und Feuchtigkeit Gemessen wurde wieder die Hysterese und die Abnahme der Empfindlichkeit Da mit Hilfe der im vorhergegangen beschriebenen Messeinrichtung nur Druck erzeugt werden konnte wurde die Kennlinie durch folgende Vorgehensweise ermittelt Es wurden die Messungen f r Druck und Zug getrennt dur
59. den Probleme beim Austausch von Daten mit konventionellen Schnittstellen k nnen durch den Einsatz von Bussystemen Datensammelschienen wie der CAN Bus gel st werden sofern die verwendeten Steuerger te eine CAN Schnittstelle besitzen Es gibt drei wesentliche Einsatzgebiete f r CAN e Steuerger tekopplung e Karosserie und Komfortelektronik e Mobile Kommunikation Die folgende Beschreibung greift die Steuerger tekopplung auf Steuerger tekopplung Dabei werden elektronische Systeme miteinander gekoppelt Die Steuerger te sind dabei als gleichberechtigte Stationen ber eine lineare Busstruktur verbunden Diese Struktur hat den Vorteil dass das Bussystem bei Ausfall einer Station f r alle anderen weiterhin voll verf gbar ist Im Vergleich zu Ring oder Sternstrukturen wird damit die Wahrscheinlichkeit f r einen Gesamtausfall wesentlich verringert Typische bertragungsraten sind ca 125 kBit s bis 1 Mbit s Die bertragungsraten sind deshalb so hoch damit das geforderte Echtzeitverhalten erf llt werden kann Inhaltsbezogene Adressierung Es werden nicht die einzelnen Stationen adressiert sondern das Bussystem ordnet jeder Station einen oder mehrere 11 oder 29 Bit langen Identifier Identifizierungscode zu Dieser kennzeichnet den Inhalt der Botschaft z B Raddrehzanl Eine Station verwendet nur diejenigen Daten deren zugeh riger Identifier in der Liste der entgegenzunehmenden Botschaften gespeichert sind Akzeptanzpr
60. den muss oder nicht Es wurde untersucht wie sich die Empfindlichkeit des Sensors ver ndert wenn sein Winkel zur einwirkenden Kraft ver ndert wird das hei t um seine eigene Achse gedreht wird Wie in der Einleitung bereits erw hnt tritt dieser Effekt bei der Sitzh henverstellung auf Die Kraftmessbolzen erlauben es eine mittels DMS erfassbare Dehnung oder mittels Hallsensor erfassbare Magnetfeld nderung zu detektieren Wirkt die Kraft nun Autor Roland Schaller 37 123 Diplomarbeit Gewichtssensor in einem bestimmten Winkel ein so teilt sich diese Kraft naturgem in eine Horizontal und eine Tangentialkomponente auf Um die Vorstellung zu erleichtern ist dieser Zusammenhang im nachstehenden Bild noch mal herausgearbeitet Links ist ein 3D Modell gezeigt und rechts der Schnitt durch den Bolzen Bild 24 Komponenten der Kraft Die Normalkraft ergibt sich durch die geometrische Natur und errechnet sich in dem die einwirkende Kraft F mit dem Kosinus des Winkels um den der KMB verdreht wurde multipliziert wird Fy F cosa Der zur Generierung des Messsignals dienende Anteil nimmt in jedem Fall bei einer Verdrehung ab woraus eine Abnahme der Empfindlichkeit und somit eine Verkleinerung des Ausgangssignals resultiert Dadurch ware naturlich eine korrekte Gewichtsermittlung der zu schutzenden Person nicht mehr gewahrleistet Wie nun die einzelnen Messbolzen reagiert haben kann unter Abnahme der Empfindlichkeit im nachst
61. dig im Inneren des Doppelbiegebalkens zu verkleben Ein denkbarer L sungsansatz ist Hallelement und Magneten in einem gemeinsamen Kunststofftr ger zu vereinen und von hinten durch die Bohrung in den Bolzen einzuf hren Sensor und Magnet w rden bei diesem Verfahren in einem gemeinsamen Kunststoffteil vergossen werden wie im Bild 74 zu sehen ist Bild 74 Innenteil des Topfbolzens Die Konstruktionen wurden von der Abteilung CS EM ECS erdacht und die Bilder zur Verf gung gestellt Links ist die fertig vergossene Konstruktion der Messeinheit zu sehen Dieser Teil wird von hinten in den Topfbolzen eingeschoben und durch die seitlichen Widerhaken in Position gehalten Rechts der Magnet und der Hallsensor inklusive der Leiterbahnen zum Anschluss des Kabelschwanzes Die einzelnen Teile des KMB sind in nachfolgender Abbildung dargestellt Zu sehen ist der Innenteil mit Doppelbiegebalken blau der Topf hellgr n und das Messelement inklusive Magneten Hallelement Anschlusskabel und Verzahnung dunkelgr n ta Y Bild 75 KMB Version 5 0 Einzelteile Autor Roland Schaller 90 123 Diplomarbeit Gewichtssensor Der fertig zusammengesetzte Kraftmessbolzen w rde dann wie im nachstehenden Bild gezeigt aussehen Bild 76 KMB Version 5 0 zusammengesetzt Bei genauer Betrachtung dieser Konstruktion f llt auf dass einerseits die Nase des Bajonettverschlusses fehlt Andererseits w rde ein gewinkeltes Anschlusskabel aufgrund der mangelnden
62. durch die Luftfeuchte H lt 95 rel Feuchte bei T 65 C tiber 168 Stunden nicht beeintrachtigt werden Prufbedingungen Die Festlegungen der Funktions Sch ttel Lebensdauer und klimatischen Pr fungen erfolgen durch die zust ndigen Entwicklungsabteilungen Kundendienstforderung Das Erzeugnis muss ein Austauschteil sein Eine elektrische Kalibrierung nach dem Einbau ist zul ssig vgl 1 3 Mechanisch elektrische Anforderungen Der einzelne Kraftmessbolzen sollte im Bereich von 8 5 kg bis 11 kg besonders genau das Gewicht erfassen das zu messende Gesamtgewicht von 4 Kraftmessbolzen muss um 39 kg herum mit h chster Genauigkeit gemessen werden Autor Roland Schaller 98 123 Diplomarbeit Gewichtssensor Andererseits muss der Kraftmessbolzen eine berlastsicherung haben so dass er nach einem Crash bei dem der Airbag noch nicht ausgel st wird ohne Kal brierung weitermisst 2 1 Versorgungsspannung Die 4 Kraftmessbolzen werden vom Steuerger t her mit der Versorgungsspannung U 5 V stab versorgt 2 2 Spezifikation der Kennlinie Die Kennlinie soll einen linearen Zusammenhang zwischen Gesamtgewichtskraft W und Ausgangsspannung U wiedergeben U 2 0 V 90 kg W 0 5 V mit Wmax 180 kg Dies gilt sowohl f r den Abgriff mittels Hall IC als auch DMS Br cke 2 21 Messgr e Eingangsgr e Die zu erfassende Eingangsgr e eines einzelnen Kraftmessbolzens ist die Gewichtskraft W welche zwischen W 0 kg und
63. e des Geh uses Das Datenblatt ist im Anhang einzusehen Pin 1 mit einem Punkt gekennzeichnet und Pin 2 sind f r den f r den erforderlichen Strom vorgesehen und die restlichen zwei Pins dienen zum Abgreifen der Hallspannung Zus tzliche Informationen sind unter www infineon com products sensors abrufbar Flash 0 1 max A8 el Solio 3x1 27 Chip Approx weight 0 05 g 1 2 Supply current terminals 5 4 Hall voltage terminals Bild 12 Verwendeter Hallsensor KSY 14 2 2 1 2 MLX 90251 Melexis Der MLX 90251 ist ein programmierbarer Halleffekt IC welches aus Silizium in CMOS Technik gefertigt wird Dieser IC bietet die M glichkeit diverse Parameter frei programmiert zu K nnen Es erlaubt im Gegensatz zu anderen Hallelementen dass Offsetfehler verkleinert bzw eliminiert werden k nnen Weiter bietet er die M glichkeit der freien Wahl der Temperaturkoeffizienten f r das Hallelement selbst das Tr germaterial und der Magnete N heres ist der Homepage unter www melexis com zu entnehmen Gespeichert werden diese Informationen im EEPROM welches im unten abgebildeten Blockbild ersichtlich ist Diese digitalen Informationen werden dann ins Schieberegister bergeben Die DACs Digital Analog Wandler dienen dazu digital gespeicherte Gr en in analoge etwa f r den OPA Operationsverst rker umzuwandeln ber den Output Pin kann der IC programmiert werden in dem die Versorgungsspannung auf einem Bereich zw
64. ehenden Kapitel nachgelesen werden Gemessen wurde das Ausgangssignal des Kraftmessbolzens als Funktion der einwirkenden Kraft f r verschiedene Winkelstellung 0 5 10 22 5 45 67 5 80 und 85 Grad Die maximal auftretende Amplitude wurde bei der Auswertung als 100 Empfindlichkeit definiert und die anderen Amplituden der Belastungen dazu ins Verh ltnis gesetzt Aufgetragen wurde die relative Empfindlichkeit der einzelnen Belastungsf lle anschlie end ber die zugeh rigen Winkelstellungen Bei einem idealen Bolzen sollte das Maximum seine Empfindlichkeit im nichtverdrehtem Einbauzustand bei 0 Grad auftreten Die Empfindlichkeit sollte dann sowohl f r die Belastungsf lle Druck als auch Zug mit zunehmendem Winkel nach einer Kosinusfunktion abnehmen Wie man sp ter sehen wird ist das aufgrund der unterschiedlichen Konstruktionen nicht immer der Fall Autor Roland Schaller 38 123 Diplomarbeit Gewichtssensor 3 1 2 Messaufbau Interessant ist die Versuchsanordnung mit welcher Klarheit ber die oben geschilderten Probleme erreicht werden konnte Sie ist im nachtstehenden Bild dargestellt 3 Druckeinrichtung 1 Frequenzmodulator 4 Messverst rker 2 Druckmodulator Bild 25 Messaufbau Im Labor wurde der Belastungsfall relativ einfach nachgebildet Die Verl ufe der einzelnen mechanischen und elektrischen Gr en wie Spannung Druck Kraft sind in obiger Abbildung neben den einzelnen Komponenten der Messschaltung in de
65. ehr dringenden bertragung stets kurz gehalten wird Ein Data Frame besteht aus 7 aufeinanderfolgenden Feldern e Beginn der Botschaft Start Of Frame e Identifier Arbitration Field e Die Byte Anzahl der Botschaft Contol Field e Die Botschaft selbst Data Field e Ein Sicherungsfeld zur Erkennung von bertragungsst rungen CRC Field e Ein Best tigungssignal f r fehlerfreien Empfang Ack Field e Ende der Botschaft End Of Frame Integrierte Diagnose Das Bussystem CAN verf gt ber eine Reihe von Kontrollmechanismen zur St rungserkennung Dazu geh rt z B das Sicherungssignal im Data Frame und das Monitoring bei dem jeder Sender seine eigene Botschaft wieder empf ngt und dabei etwaige Abweichungen erkennen kann Stellt die Station eine Abweichung fest so sendet sie ein Fehlerflag das die laufende bertragung stoppt Dadurch wird verhindert dass andere Stationen eine fehlerhafte Information aufnehmen Im Falle einer defekten Station kann es auch vorkommen dass alle Botschaften gestoppt werden Aus diesem Grund besitzt das CAN Bussystem die M glichkeit gelegentlich auftretende von anhaltenden St rungen zu unterscheiden und die Station zu lokalisieren Dies wird durch eine statische Auswertung der Fehlersituation erm glicht Standardisierung CAN wurde von der internationalen Normungsorganisation ISO f r den Datenaustausch in KFZ standardisiert F r Applikationen ebis 125 kBit s als
66. eichung 1 Uy Hallspannung Ry Hallkonstante Stromdichte B magnetisches Feld D Dicke des Plattchens Autor Roland Schaller 20 123 Diplomarbeit Gewichtssensor Die Hallkonstante Ry ist eine Materialkonstante welche unter anderem die Ladungstr gerbeweglichkeit und die Anzahl der Ladungstrager pro Volumeneinheit des verwendeten Materials ber cksichtigt Vier Beispiele seien im weiteren erw hnt e Indiumantimonid InSb Ru 380 cm As e Galiumarsenid GaAs Ry 1 10 cm As e Germanium Ge Ry 1 10 cm As e Silizium Si Ry 1 10 cm As Werden diese Werkstoffe in sehr d nner Form verwendet so k nnen Spannungen durch den Halleffekt in der Gr enordnung von ein paar Zehntel Volt erreicht werden Der Halbleiter ist heutzutage meist auf ein Tr germaterial wie z B SOIC aufgedampft wobei eine Schichtdicke von einigen um erreicht wird ber die Kosten von Hallsensoren ist zu sagen dass der Preis vom Anwendungsgebiet abh ngt Automotive Sensoren kosten bis zum 7 fachen mehr als zum Beispiel in der Telekommunikation Instrumentierung oder in Computer eingesetzte Chips f r die KFZ Branche sind deswegen teuerer weil ihr Temperaturbereich wesentlich gr er ist und der Spannungsbereich in dem sie betrieben werden sehr stark variieren kann Durch die hohen auftretenden St ckzahlen sind aber Preise deutlich unter einem Euro erreichbar 2 2 1 Verwendete Hallsensoren Man unterscheidet zwei Arten vo
67. eit Gewichtssensor Auswahl der Kan le DatenfluB im MGCplus Hirmeise HMekkanal nicht aktiv En BO Biloj E 4 dam I T Ecol Je Fen lan des KSC P SH a a Einschub U Kan MeGkenalname Kan Ausgangssignal Kalibr vi WERTET Hechp ap Tleziesp i a a e t w l gege GIERZWET ahua M komplette Darstellung Bild 27 Datenfluss im MGC Beam 3 1 4 2 Funktionsgenerator Frequenz Am Funktionsgeneratorr wurde die Frequenz des Be und Entlastungszyklus den Bedingungen angepasst So wurde nach Befestigung des Bolzens um ihn in die entsprechende Lage zu bringen mehrmals bei einer Frequenz von 0 1 Hz belastet F r die Messungen wurde eine um den Faktor 10 kleinere 0 01 Hz verwendet Amplitude Die Amplitude des Funktionsgenerators wurde als eine auf den KMB einwirkende Kraft interpretiert und konnte je nach gew nschtem Belastungsfall Werte zwischen AC oz und maximal AC 10 Volt annehmen Dies entsprach einer Belastung zwischen O und 1100N Im Regelfall wurde mit ca 500N belastet Nur f r die F lle um den berlastschutz des Bolzens zu berpr fen wurde je nach Typ auch eine gr ere Spannung eingestellt Sonstige Einstellungen Einfachs gezahnimpuls mit gleicher Anstiegs und Fallzeit Burst Int Autor Roland Schaller 43 123 Diplomarbeit Gewichtssensor 3 2 Einflusses der Sitzkonstruktion auf den KMB 3 2 1 Einfluss der Sitzh henverstellung
68. eitung bei der Versuchsanordnung bzw in der Sitzkonstruktion Autor Roland Schaller 36 123 Diplomarbeit Gewichtssensor Bei der Einpunktauflage erfolgt die Krafteinleitung so dass es entgegen der Belastungsrichtung zum Abst tzen des Messbolzen an der Unterseite der Sitzkonstruktion bzw der Messanordnung kommt im weiteren mit 1P bezeichnet In diesem Fall gibt es nur eine Lagerstelle des KMB Die Zweipunktauflage im weiteren mit 2P bezeichnet unterscheidet sich derart dass es zwei Auflagefl chen gibt Im Belastungsfall kann sich der Bolzen links und rechts in gleichen Ma en abst tzen Daf r wurde der Sitzkonstruktion ein weiterer paralleler Schenkel hinzugef gt welcher ein Verkippen des KMB verhindern soll Vermutet wurde dass bei der Einpunktauflage ein Verkippen des KMB und dadurch eine erh hte Reibung und daraus resultierend eine erh hte Hysterese auftreten k nnte Diesen Effekt versuchte man mit einer Zweipunktauflage in den Griff zu bekommen weil durch zwei Auflagefl chen ein Kippen des Bolzens unm glich wird Diese Messergebnisse sind im nachstehendem Kapitel f r die einzelnen KMB jeweils unter dem Punkt Reproduzierbarkeit angef hrt Um eine Aussage ber die Reproduzierbarkeit der Messergebnisse zu erhalten wurde bei verschiedenen Winkelstellungen f nf mal be und entlastet Reproduzierbarkeit liegt dann vor wenn sich die ermittelten Kennlinien bis auf eine geringe Abweichung decken W nschenswert ist wie auch sc
69. emstellungen eingesetzt werden kann Das implizit parallele und modulare Entwicklungssystem mit seinem grafischen Compiler besticht durch seine hohe Ausf hrungsgeschwindigkeit und seinen sehr geringen Programmentwicklungsaufwand Eine Vielzahl umfangreicher Bibliotheken erm glichen Rapid Prototyping sowie elegante und leistungsf hige Applikationen Von einem virtuellen Instrument spricht man wenn aus einem Standard Personalcomputer durch geeignete Software im Zusammenspiel mit entsprechender Mess Hardware auf die Aufgabe zugeschnittene Messsysteme geschaffen werden die sonst nur einem ausgerichtetem Stand Alone Messger t vorbehalten sind VI stellen eine Visualisierung und Zentralisierung komplexer Messsysteme auf einem Standard PC in Form einer virtuellen Bedienoberfl che dar Um eine Aufnahme der Daten mittels VI zu erm glichen mussten zuerst im Konfigurationstool Max einige Einstellungen vorgenommen werden Voraussetzung daf r war die erfolgreiche Installation der Analog Digital Karte DAQ 1200 Im Men Datenumgebung wurden die acht Kan le 0 bis 7 der Karte definiert und dann im Analog Input Konfigurationsfenster Bild 89 eingerichtet wobei die Kan le 0 bis 3 durch die DMS und 4 bis 7 durch die Hallsensoren belegt wurden Um die Attribute der einzelnen Kan le festzulegen mussten die wei unterlegten Bereiche wie Name Unit Range Sensor Scaling Formula Device und Channel konfiguriert werden Die Skalierung des DMS konnte im Custo
70. en Von diesen Gesichtspunkten ausgehend l sst sich ableiten dass Beifahrerairbags f r Kleinstwagen wie Smart oder VW Lupo sinnvoll sind da es dort aufgrund verringerter Knautschzonen zu einer Erh hung der Verz gerungskr fte und somit zu einer erh hten Beanspruchung des Nackens kommen kann Ein weiteres Problem das im Zusammenhang mit Airbags auftritt sind die nach einem selbstverschuldeten Unfall oft enormen Instandsetzungskosten bei nicht belegten Sitzen In einem modernen KFZ sind bis zu 10 Airbags wie Fahrer Beifahrer Seitenairbags in Brust und Kopfh he und Knieairbags eingebaut Ein Ausl sen aller Airbags in einem modernen Kraftfahrzeug kann Kosten an die 5 000 Euro verursachen obwohl die sch tzenswerten Personen vielleicht nicht mal alle an Bord waren Durch unnotiges Ausl sen entstehen in Deutschland jedes Jahr Kosten in H he von einigen Millionen Euro was den Versicherungen nat rlich missf llt Deshalb werden moderne Kraftfahrzeuge auch mit Systemen ausgestattet die eine Feststellung der Belegung der Sitze erlauben und Airbags auf nicht besetzten Sitzen nicht ausl sen 1 2 L sungsvorschl ge zur Gefahrenreduktion bei Airbagentfaltung Um Verletzungen durch Airbags zu verhindern sind alle Autozulieferer zu verbessernden konstruktiven Ma nahmen aufgerufen Ein m glicher Fortschritt w re beispielsweise die Informationen aus den Gurtschl ssern heranzuziehen um bei etwaigen nicht angeschnallten Personen nur mit halber
71. en aufzunehmen Da es bei der H henverstellung des Sitzes zu einem Verspannen der Konstruktion kam u erte sich diese Manko immer wieder in dem sich die Sicherung l ste Dieser Mangel wurde anschlie end in der Version 3 0 behoben bei der man den KMB verschraubte Der Sensor der Version 2 0 hat den gravierenden Nachteil dass er nur eine unidirektionale Messung erlaubt Um die F lle eines Fehlgebrauchs Miss Use in den Griff zu bekommen wurde aber in den sp teren Versionen die M glichkeit ber cksichtigt bidirektional zu messen Wie die folgenden Messergebnisse zeigen werden ist auch die auftretende Hysterese des Bolzens zu gro Dieser Bolzen bot die M glichkeit in einer 1 Punktauflage bzw 2 Punktauflage verbaut zu werden Autor Roland Schaller 51 123 Diplomarbeit Gewichtssensor 4 2 1 Reproduzierbarkeit Im Nachfolgenden werden die Ergebnisse der Untersuchungen sowohl f r 1 Punkt als auch 2 Punktauflage wiedergegeben 1400 8 y 2 4105x 74 1 1200 O 1000 4 800 N 600 Dehnung um m 400 l O N Abweichung von der Regressionsgeraden in Messung 1 Messung 2 200 Messung 3 Messung 4 Messung 5 Abweichung Linear Messung 1 200 8 0 100 200 300 400 500 600 Kraft N I D oO O Bild 35 Kennlinie KMB 2 0 Reproduzierbarkeit der Kennlinie und Abweichung bei o 0 Grad f r 1P Auflage In Bild 3
72. erage temperature coefficient of input offset voltage input offset current see Mote d input Deas Current eee Mote 4 Common mode input voltage range see Note 3 High level output voltage Low level output voltage Large signal diferential voltage amplification Comm n mode rejection ratko Supply voltage rajecton ratk AV oA Supply currant four amplifiers T Full range le O C to FOG TEST CONDITIONS Vin 100 rv Vip 100 mW Vos 1NIo M VH YieRrmin TLCE27AG TLO2T4AC TLC274BC TLC27SC MIN TYP MAX Vu 25 C 1 1 10 Eben 26 C i Vie 4 Di 10 ko PM Vic RL 10 kO Vie RL 10 KO RL 140kn Von 5V to 10 V NOTES 4 The typical values of input blas current and input offset current below 5 p were determined mathematically 5 This range also applies to each Input individually ha TEXAS INSTRUMENTS Sr OFFICE BOX 665309 DALLAS TEXAS TEME Kal Po POST OFFICE BOS 144 HOUSTON TENAS 77251 144 Autor Roland Schaller 113 123 r Diplomarbeit Gewichtssensor 0 03 se A nn nt nn Gleichspannungs Versi rker Eingang f r Spannungsmessung i t symmetriscn 40 0765 Eingangssignalbersich umschaltbar 10 2 10 2 1 OQ ap zl gt Wu Me bereich digital einstellbar V 04 10 2 0 002 0 0765 Nullverschiebung 10 0 075 0 2400 1dB 1 0 250 1d3 kOhm a
73. erstreckt Ersichtlich ist diese Anordnung in Bild 56 Einerseits beeinflusst der Hebelarm der Feder die Kennlinie Je l nger der Hebelarm um so sensitiver reagiert der KMB auf die einwirkende Kraft Autor Roland Schaller 72 123 Diplomarbeit Gewichtssensor e UZS F nit UZS Bild 56 Verst ndnisskizzen zur Erkl rung der auftretenden Effekte Die obige Zeichnung zeigt die Federn des KMB im Querschnitt Aus der ersten Abbildung geht hervor dass sich der wirksame Hebelarm ver ndert wenn man den Bolzen einmal gegen bzw mit dem Uhrzeigersinn verdreht So ist klar dass es bei einer Verdrehung gegen den Uhrzeigersinn zu einer Abnahme bei einer Verdrehung im Uhrzeigersinn zu einer Zunahme des resultierenden Hebelarms kommt Je gr er der Hebel ist auf den die Kraft einwirken kann um so gr er ist die resultierende Durchbiegung und damit das generierte Ausgangssignal des Hallelements Der zweite Effekt der zu tragen kommt ist an welcher Stelle die Kraft eingeleitet wird Dargestellt sind die beiden Extremf lle welche die Vorstellung erleichtern sollen So kommt es beim Einleiten im Winkel von 90 Grad zu keiner Verformung des Messelements wogegen eine Krafteinleitung unter O Grad eine maximale Verbiegung zur Folge hat Aufgrund dieser beiden Zusammenh nge kann man die nicht erwartete Kennlinie erkl ren Autor Roland Schaller 73 123 Diplomarbeit Gewichtssensor 4 5 Topfbolzen Version 5 0 Konstruktion
74. es ke KS Be 0 CH Al Fr Aal ke C a SC E i _ Q gt Ringmessbolzen Version 4 0 Ylalsstah Blatt ee ES REG Material ST3 MLX90215 aaao lee Bild 95 Ringmessbolzen KMB Version 4 0 Au enteil Autor Roland Schaller 120 123 Gewichtssensor Diplomarbeit E YOS WIEN aro Up J8UuDIC Op UOISIBA JONI GIE AN uazjoqssewBuly sep IEJUSUL BE jeuonyanpig sHeynepUNd UOISISA Zl PSL zo BLN TE AA VA OO SE re Ce Ze g GL ua bung puy X LL Bild 96 Ringmessbolzen KMB Version 4 0 Innenteil 121 123 Autor Roland Schaller Gewichtssensor Diplomarbeit HEYS LY AA ayus Ip au ZELS Enae 7 WW as OC UOISISA USZJOGSSSLUY ey feuonyanprun sdepgnepfumg z UoTsI3 A WAL X ET gt gt vee E oes N Ox gt ER oe SCS de e e lt ss nz ur SE e SS Ge E SUZ Fe r7 KRA OSALES RARS un dab unter MZ 0 8 Bild 97 KMB Version 3 0 122 123 Autor Roland Schaller Diplomarbeit Gewichtssensor Anderungen H cy LI be C Ooi 00 15 4H 4 Bild 98 KMB Version 2 0 Autor Roland Schaller 123 123
75. es soll die Notwendigkeit der bidirektionalen Messung noch einmal erkl ren Person Person S E FE S E FF Fu F F tF tF F F F F F person person Bild 4 Summenbildung des Gewichts Naturlich ist diese Methode nicht frei von Fehlerquellen Die Herausforderung hier liegt in der richtigen Interpretation der transienten Vorgange und in der Verhinderung des mechanischen Nebenschlusses zwischen den sich beruhrenden metallischen Teilen Der Fall des berlastschutzes kann konstruktionstechnisch gel st werden Autor Roland Schaller 13 123 Diplomarbeit Gewichtssensor Noch einmal die Vorteile des KMB kurz zusammengefasst e Kleinbauendes statisches Messprinzip e Universell durch den Querschnittsdurchmesser und Ringgeometrie an verschiedene Messbereiche anpassbar e Universell f r Messung der Verbindungskrafte zwischen zwei Teilen verwendbar e Das weg und somit kraftproportionale Magnetfeld kann ber hrungslos im Luftspalt abgegriffen werden e Eine gute Nullpunktstabilitat des Kraftmessbolzen ist durch den abstandmessenden sich im magnetischen Nullpunkt befindenden Hallsensors gegeben e Eine starke Flussdichte nderung wird bereits durch eine geringe Auslenkung erzeugt e Magnetfeldsensor mit Auswerteelektronik sind voll integrierbar wodurch eine einfache Zuleitung und kompakte Bauweise sowie eine u erst kosteng nstige L sung m glich wird e Zug und Druckkr fte sind messbar bidirektionale Messu
76. ezellenverfahren keine Unterlegescheiben notwendig keine Reibung zwischen den bewegten Teilen nur ein Hallsensor und ein Magnet n tig Hall und DMS an verschiedene Belastungen leicht anpassbar relativ gro MLX 90251 Melexis 1 X Y91 1 5 120 HBM E sensierende Elemente Bild 5 Darstellung der verschiedenen Versionen des KMB Autor Roland Sch aller Diplomarbeit Gewichtssensor Aufgrund der erl uterten Vor und Nachteile der einzelnen Systeme hat man sich bei der Firma Robert Bosch GmbH dazu entschieden die Entwicklung des Kraftmessbolzens mit all seine St rken und Schattenseiten weiter voranzutreiben Die enge Zusammenarbeit mit einem Sitzhersteller ist essentiell da nur dann eine sinnvolle akzeptabel L sung mit den notwendigen Sitzmodifikationen durchgef hrt werden kann Der Zielkunde gibt die Spezifikations und Pr fbedingungen vor 1 3 2 Einbaubedingungen Der im vorangegangen kurz erw hnten Einbauplatz des Sensors soll in den folgenden zwei Bildern noch einmal herausgearbeitet werden Zu sehen ist der Fu boden der Fahrgastzelle samt Sitzschiene Verstellhebel f r die L ngsverstellung des Sitzes Fu raumteppich und die Unterseite des Sitzkissens In der Frontansicht sind deutlich die zwei Schenkel zu erkennen die der Sitzh henverstellung dienen Das sind zwei Blechpressteile wobei der untere an der Sitzschiene fixiert ist und der obere drehbar gelagert ist Verbunden sind die zwei Teile mit einer Sc
77. faktor fur das Gesamtgewicht ohne Teflonscheiben fur KMB Version 2 0 In Bild 41 ist der Skalierungsfaktor fur das Gesamtgewicht in Abhangigkeit der einzelnen Winkelstellungen und des aufgelegten Gewichtes dargestellt Ein aufgelegtes Gewicht sollte immer eine proportionale mit einem konstanten Faktor multiplizierte Ausgangsspannung liefern An diesem Zusammenhang sollte auch die Stellung des Sitzes also ein variierender Winkel nichts ndern Im Idealfall sollten lauter Geraden mit einer gewissen Steigung erkennbar sein die alle bereinanderliegen sollten Das Praxis und Theorie voneinander abweichen wird aus diesem Diagramm ersichtlich Erkennbar ist eine verst rkte Streuung der Messergebnisse bei einer Belastung mit 50 kg f r die einzelnen Winkelstellungen Aus diesen Ergebnissen wurden die einzelnen Messpunkte der Kurvenscharen f r die Werte 10 bis 50 kg gemittelt um daraus ein Regressionsgerade fur die Umrechnung zwischen Gewicht und Ausgangsspannung ableiten zu k nnen Dies ist erforderlich um in Bild 42 Bild 43 und Bild 44 die Abweichung von der Autor Roland Schaller 58 123 Diplomarbeit Gewichtssensor Regressionsgeraden in Bezug auf den Messbereich von 200 kg herstellen zu k nnen 0 Grad t 5 Grad pm 10 Grad lt 15 Grad 20 Grad e 25 Grad 30 Grad 35 Grad 40 Grad 45 Grad 50 Grad Abweichung von der RG vom MB
78. fast vollst ndig kompensieren Da aber alle Offsetwerte positiv waren resultiert daraus dass der Einfluss ect zf andersartig zustande kommt Dieser Sitzkissen Sachverhalt ist im rechtstehenden Bild noch einmal herausgearbeitet Dargestellt ist der Sitz von oben mit den vier Kraftmessbolzen samt eg Einbaurichtung Die vier roten Pfeile i zeigen die Richtung des Einflusses bd Sensor Ih7 Sensor rh6 der Torsion beim Hochfahren i Sensor Iv5 Sensor rv4 Bild 64 Einfluss der Torsion Beeinflussung des Magnetischen Kreises Da die Bolzen aus einem nicht ferromagnetischen Material bestehen sind sie nicht gegen magnetische Beeinflussungen aus der Umgebung abgeschirmt Da der Magnet genau an der Stelle des Topfes angebracht ist an der auch die Schwinge gleitet kommt es zu einer Beeinflussung durch diese So ergibt sich eine nderung des magnetischen Kreises zwischen den Positionen 1 und 2 In der Position 2 tritt ein Luftspalt auf und damit ein erh hter magnetischer Widerstand Daraus resultiert eine Variation der Ausgangsspannung des Hallelements Der Fall wurde am Pr fstand nachgebildet Es wurde der Sensor einmal ohne umgebendes ferromagnetisches Material vermessen und anschlie end mit Die Zusammenh nge sind in nachstehender Skizze herausgearbeitet Rechts der Einfluss der Sitzkonstruktion und links das Schema der Ermittlung des Einflusses am Pr fstand Autor Roland Schaller 81 123 Diplomarbeit Gewichtssensor Schwin
79. fung Alle anderen Daten werden ignoriert Die inhaltsbezogene Adressierung erm glicht es ein Signal an mehrere Stationen zu senden indem ein Sensor sein Signal direkt bzw ber ein Steuerger t an das Busnetz schickt und dieses dort verteilt wird Au erdem lassen sich viele Ausstattungsvarianten realisieren weil weitere Stationen zu einem bereits bestehenden Bussystem einfach hinzugef gt werden k nnen Priorisierung Der Identifier bestimmt neben dem Inhalt der Nachricht gleichzeitig auch die Wichtigkeit oder Priorit t der Nachricht Ein Signal das sich sehr schnell ndern kann muss auch sehr schnell weitergegeben werden und bekommt daher eine wesentlich h here Priorit t als ein verh ltnism ig langsam variierendes Busvergabe Wenn der Bus frei ist kann jede Station beginnen ihre Botschaft zu bertragen Beginnen mehrere gleichzeitig zu senden dann setzt sich die Botschaft mit der h chsten Priorit t durch ohne dass ein Zeit oder Bitverlust zustande kommt Die Sender mit niedrigerer Priorit t werden dann einfach zu Empf ngern und wiederholen ihren Sendeversuch sobald der Bus wieder frei ist Autor Roland Schaller 34 123 Diplomarbeit Gewichtssensor Botschaftsformat F r die bertragung auf dem Bus wird ein Datenrahmen Data Frame aufgebaut dessen L nge maximal 130 Bit Standardformat bzw 150 Bit erweitertes Format betr gt Damit ist sichergestellt dass die Wartezeit bis zur n chsten m glicherweise s
80. g des Messfehlers f hren w rde Das Diagramm zeigt aber dass sich die positive Abweichung von 5 5 auf 4 2 verringert hat aber in negativer Richtung sich von 3 5 auf 6 5 verschlechtert hat Dies l sst den Schluss zu das eine Verwendung von Teflonscheiben nicht den erwarteten Verbesserungseffekt erzielt Eine m gliche Erkl rung daf r liegt wohl darin dass der gr te Anteil der Reibung wohl nicht zwischen den beiden Schenkeln der H henverstellung auftritt sondern nach wie vor im Bereich des Sensorkopfes Dies konnte auch best tigt werden in dem festgestellt wurde dass durch Einbau einer halbmondf rmigen Teflonscheibe im Kopfbereich eine wesentliche Reduktion erzielt werden konnte Autor Roland Schaller 61 123 Diplomarbeit Gewichtssensor gt CH CH Messung 1 Messung 2 A Messung 3 x Messung 4 Messung 5 Ausgangsspannung mV Winkel Grad Bild 45 Reproduzierbarkeit des Gesamtgewichtes mit Teflonscheiben und Belastung mit 40 kg bei einmaligem Nullabgleich fur KMB Version 2 0 In Bild 45 ist die Reproduzierbarkeit des Gesamtgewichtes bei einer Belastung des Sitzes mit 40 kg und der Verwendung von Teflonscheiben dargestellt Es wurde ein einmaliger Nullabgleich durchgef hrt dann wurde der Sitz belastet und die einzelnen Winkelstellungen bei der H henverstellung durchlaufen Danach wurde entlastet in den urspr nglichen Zustand zur ckgefahren und w
81. ge ferromagnetisches Material Einfluss im System mit Beeinflussung Bild 65 Beeinflussung des magnetischen Widerstandes Die Ergebnisse aus der Messung waren 0 25 V entsprachen 45 kg Durch die Beeinflussung trat ein Offset von 0 076 V auf Wenn man die beiden Gleichungen zueinander ins Verh ltnis setzt _ 0 076 45kg 13 7kg 0 25 erh lt man einen maximalen Fehler von 13 7 kg In der Praxis war der Einfluss ungef hr 4kg pro Sensor Ein L sungsansatz um dieses Problem in den Griff zu bekommen ist wiederum die Reluktanzmethode Bei dieser ist der Aufbau des Sensors bez glich der Rotationsachse symmetrisch wodurch dieser Effekt nicht mehr zu tragen kommen kann Autor Roland Schaller 82 123 Diplomarbeit Gewichtssensor Ausgangsspannung mV 0 10 20 30 40 50 Gesamtgewicht kg Bild 66 Hystere bei Be und Entlasten der Sitzkonstruktion KMB Version 5 0 Dass die Hysterese nicht von der Reibung in der Sitzkonstuktion abh ngt geht aus dem obigen Diagramm ebenfalls hervor Hier wurde der Sitz in den Stellungen 15 25 und 35 Grad wie im folgenden beschrieben belastet Es wurden Gewichte in 10kg Schritten beginnend von O kg bis 50 kg aufgelegt und anschlie end wieder abgenommen Die einzelnen Belastungsf lle des Sitzes wurden mit Lab View aufgezeichnet Zu erkennen ist dass fast keine Hysterese zwischen Be und Entlasten auftritt Die Kernaussage daraus ist dass
82. h Anlegen eines Magnetfeldes w hrend des Sinterprozesses erfolgen Weitere Einsatzgebiete w ren als Haftmagnetsysteme als Segmente f r Permanentmagnetmotoren oder auch im Bereich der Medizintechnik Eigenschaften e hohe spezifische Energiedichte e hohe Entmagnetisierungsstabilitat e Querschnitt L ngenverh ltnis kann unter 2 1 liegen e gute Korrosionsbest ndigkeit e elektrisch leitend e lieferbar in Standardabmessungen oder auf Bestellung e temperaturstabil von 40 bis 85 Grad Autor Roland Schaller 23 123 Diplomarbeit Gewichtssensor 2 3 Funktionsweise des Dehnungsmessstreifen DMS 2 3 1 Anwendung Dehnmessstreifen finden heute in vielen Bereichen der Technik ihre Anwendung So k nnen sie nicht nur Dehnung messen wie ihr Name verr t sondern auch abgeleitete mechanische Gr en wie Kraft Druck und Drehmoment Ein weiteres Anwendungsgebiet der DMS ist die experimentelle Spannungsanalyse bei der aus gemessenen Dehnungen die mechanischen Spannungen im Messobjekt ermittelt und damit Aufschl sse auf dessen Beanspruchung gezogen werden k nnen Grunds tzlich werden Halbleiter D nnschicht und Dickschicht DMS verwendet Der Dehnungsmessstreifen erf hrt eine mechanische L ngen nderung welche eine nderung seines elektrischen Widerstandes hervorruft Der Zusammenhang zwischen Verformung und Spannung in einem Werkstoff wird im elastischen Verformungsbereich durch das Hook sche Gesetz beschrieben Dieses darf a
83. h eine Genauigkeit kleiner 0 02 kg Dies entspricht bei einem Messbereich von 2kg einem Messfehler von 1 Das verwendete Frontpanel ist im nachstehenden Bild gezeigt Zu sehen ist das Abbild des Demonstrators und die anzeigenden Elemente Zu erkennen ist die Darstellung des Gesamtgewichts mit Hilfe einer F llstandsanzeige Hier wird das Gewicht immer mit einem positiven Vorzeichen dargestellt Der Verlauf der Kraft kann im links eingef gten Zeitdiagramm verfolgt werden Die Eintragung der Kraft wird vorzeichenrichtig durchgef hrt um Zug und Druckkr fte darzustellen Durch dr cken der Taste Relativer Nullabgleich kann zu einem beliebigen Zeitpunkt die Anzeige f r Gewicht und Kraft auf Null gesetzt werden Das Bedienelement Steigung Hall erlaubt es eine Kalibrierung des Systems durchzuf hren Dies erfolgt indem ein bekanntes Gewicht aufgelegt wird und dann der Faktor so verstellt wird dass das tats chliche mit dem angezeigten bereinstimmt Dies hat den Vorteil dass etwaige Toleranzen in der Fertigung des KMB kompensiert bzw KMB mit unterschiedlicher Steifigkeit eingesetzt werden k nnen In Bild 72 ist die Funktionsweise des Backpanels ersichtlich Die wichtigsten Bereiche wie das Einlesen der Daten der Skalierung Nullabgleich und die Ausgabe der Daten in die anzeigenden Elemente des Frontpanels sind hervorgehoben Autor Roland Schaller 86 123 Diplomarbeit Gewichtssenso gt Messbolzen Demonstrator
84. hnittstellen e Ansteuerung einer Warnlampe 2 4 3 Aufbau eines kombinierten Steuerger tes nz aa Ay stufen links Fahrzeug Plus S gt po Selenaimagts en d Oo rechts verarbeitung Diagnose D Crash Ausgang Signalvor d controller p Oo Diagnoseschnittstelle verarbeitung lt Longitudinaier Derioh und lateraler mit ADC b 0 Crash Ausgang eh eeler Beschleunigungs und EPROM Beschleunigungs BE sensor De Ebbe sensor BREI u rechts und links Ber Frontalairbag oC rechts E Bee Gurtstraffer O 5 7 links Fahrzeug PO Gurtstraffer Masse le rechts ee pe eee re et Bild 19 Aufbau eines Steuerger tes Autor Roland Schaller 31 123 Diplomarbeit Gewichtssensor 2 4 4 Datenverarbeitung 2 4 4 1 Eingangssignale Die Signale der Sensoren werden dem Steuerger t ber Schutzbeschaltungen und gegebenenfalls ber Signalwandler und Verst rker zugef hrt e Analoge Eingangssignale werden von einem Analog Digitalwandler A D im Mikroprozessor des Steuerger tes in digitale Werte umgeformt e Digitale Eingangssignale k nnen vom Mikroprozessor direkt verarbeitet werden e Das Signal eines induktiven Raddrehzahlsensors wird in einem Schaltungsteil im Steuerger t aufbereitet um St rimpulse zu unterdr cken Je nach Integrationsstufe kann eine Signalaufbereitung teilweise oder auch ganz im Sensor stattfinden 2 4 4 2 Ausgangssignale Die Mikroprozessoren steuern mit den Ausgangssig
85. hon vorher erw hnt ein Bolzen der einen linearen Zusammenhang zwischen einwirkender Kraft und resultierender Dehnung zeigt In der Realit t wird sich aber eine Abweichung von dieser Geraden beim Be und Entlasten zeigen Eine verursachende Kraft sollte im Idealfall mit einem konstanten Skalierungsfaktor multipliziert der gemessenen Ausgangsspannung entsprechen Die Differenz davon wird als Linearit tsabweichung bezeichnet und gibt Aufschluss ber die Genauigkeit des messenden Systems Der Begriff der Hysterese der im Zusammenhang mit der Bewertung des KMB wichtig ist sei im nachstehenden genauer erkl rt Wird ein DMS belastet dass hei t ein vollst ndiger Dehnungszyklus durchlaufen so wird die Hysterese definiert als auftretende Differenz zwischen der Widerstands nderung am aufsteigenden und abfallenden Kurvenast Erfahrungsgem kann man sagen dass die Hysterese mit der Anzahl der aufgebrachten Belastungszyklen kleiner wird Es ist kaum m glich die Hysterese als eine dem Dehnungsmessstreifen alleine zugeordneten Charakteristik zu definieren Immer flie en auch andere Komponenten wie Reibung ein Selbiges gilt nat rlich auch f r das Hallelement 1000 500 0 500 1000 in um m im MeBobjekt Bild 23 Hysterese Weiter war interessant wie sich der Kraftmessbolzen im System verhalt wenn er verdreht wird Interessant war die Gr e der Auswirkung denn von ihr ist abh ngig ob der Sensor gegen Verdrehen gesichert wer
86. hraube Werden diese zueinander verdreht so ndert sich ihr Winkel zueinander und daraus resultierend die H he des Sitzes Die in den nachstehenden Bildern dargestellte Schraube wurde entfernt und durch den Kraftmessbolzen ersetzt Abgebildet ist der Einbauplatz vorne rechts Bild 6 Einbauplatz des KMB Frontansicht Autor Roland Schaller 16 123 Diplomarbeit Gewichtssensor Im nachstehenden Bild ist der Bolzeneinbauplatz hinten rechts dargestellt Es sind wieder der Einbauplatz der urspr nglichen Schraube die Sitzschiene und der Verstellmotor erkennbar Letzterer verdreht die abgebildete Stange und nimmt damit ber den auf der rechten Seite angeschwei ten Hebel Einfluss auf die H henverstellung des Sitzes j Werstellmechanismus I Verstellmotorgys PN TEL 5 Bild 7 Einbauplatz des KMB in R ckansicht 1 3 3 Verwendete Testmethoden Bei der Untersuchung der einzelnen Sensoren wurden verschiedene Arten der Pr fung durchgef hrt auf die sp ter in den einzelnen Kapitel n her eingegangen werden soll Bestandteile der Pr fung umfassten die statischen Tests Bei diesen wurde der Zusammenhang zwischen Ausgangsgr e in unserem Fall eine elektrische Spannung und der Eingangsgr e mechanisch aufgebrachte Kraft ermittelt Alle konstruktiven Ma nahmen sollen als Ergebnis einen linearen Zusammenhang zwischen diesen beiden erkennen lassen Die Messungen erlauben Aussagen ber die Abweichung des realen Sensor vo
87. ices use Texas Instruments silicon gate LinCMOS technology which provides offset voltage stability far exceeding the stability available with conventional metal gate processes The extremely high input impedance low bias currents and high slew rates make these cost effective devices ideal for applications which have previously been reserved for BiIFET and HFET products Four offset voltage grades are available G sufix and l suffix types ranging from the low cost TLG2Z74 10 uW to the high precision TLC279 900 uv These advantages in combination with good common mode rejection and supply voltage rejection make these devices a good choice for new state of the art designs as well as for upgrading existing designs LH is a trademark of Texas Instruments Inzorgoreted PRORUCTIO DATA inten amp cure a gd hen dine Frisch Sond on lp 3 siarkan warranty Pa itseng af Miaal rt par ie tonite of Teias Wat apsrds Cheah D ai dees ee nee all Sarnen Percentage of Units WW Texas d 1200 D J N OR PW PACKAGE TOP VIEW FK PACKAGE TOP VIEW 11M NG Voo NG FIN HG No Internal connection DISTRIBUTION OF TLC279 INPUT OFFSET VOLTAGE 280 Unite Tested From 2 Wafer Lots Von 5W Ta 25 C amp 00 0 j Yo Input Offset Voltage uW 1200 Copyright 1894 Texas Instruments Inscrparated POST OFFICE BOX 665309 DALLAS TEXAS TEE 21 POST OFFICE BOX 184 HOUSTON TEXAS
88. ich ist da es sonst zu einer Messung der durch diesen auftretenden Fehler kommt Verwendet wurde ein Sensor mit einer angegebenen Genauigkeit bei Raumtemperatur von 0 2 Dies entspricht einem Messfehler durch den Referenzsensors bezogen auf den Messbereich von 500N von 1N Der Amplitudenfehler des Funktionsgenerators bzw der Verstarkungsfehler des Druckmodulators gehen nicht ins Messergebnis ein da die auf den KMB einwirkende Kraft direkt mit dem Referenzsensor gemessen wird Der Frequenzfehler des Funktionsgenerators kann deswegen vernachl ssigt werden weil es keine zeitabh ngige Gr e bei den Untersuchungen des Kraftmessbolzen gibt Eine weitere Ungenauigkeit bei der Erhebung der Messergebnisse entsteht durch den Messverst rker Die auftretenden Abweichungen der einzelnen Verst rkereinsch be sind im Anhang einzusehen Sie sind aber hinreichend gering und k nnen somit vernachl ssigt werden Um unbekannte Fehlereinfl sse durch Reibung zu minimieren muss die Lagerung des KMB und die F hrung f r den St el zur Krafteinleitung nahezu reibungsfrei und damit ge lt sein 3 1 3 Verwendete Messger te Einrichtungen 1 Funktionsgenerator Fluke amp Philips PM 5139 0 1 mHz 20 MHz Sr Nr 915615 2 Druckmodulator Eigenkonstruktion Nr M 5869 3 Druckeinrichtung Bosch Sr Nr 0 822 243 402 10 bar Referenzsensor Wagezelle Load Cell Hottinger Baldwin Messtechnik 2 mV V 500N A Messverst rker HBM MGC Plus
89. ie Landstrasse Autobahn Waldweg und Schlechtwegestrecke mit Platten ausgekleideter Weg hnlich grobem Kopfsteinpflaster Daf r wurde der mit vier KMB ausgestattete Sitz in ein KFZ auf der Beifahrerseite eingebaut Die Aufzeichnung der Ausgangsspannung der einzelnen Sensoren wurde wieder wie oben in Einfluss der Sitzh henverstellung auf den KMB durchgef hrt D h es wurden die Signale der in den KMB enthaltenen Dehnungsmessstreifen mit einer Analogkarte verst rkt und mittels Analog Digital Konverterkarte DAQ 1200 f r den PCMCIA Slot in ein digitales Signal umgewandelt Diese nun bin re Information wurde in einer Textdatei abgelegt um eine Weiterverarbeitung mit EXCEL oder MATHCAD zu erm glichen Zur Datenaufzeichnung wurde ein Notebook verwendet der im Auto auf der Mittelkonsole montiert wurde Analysiert wurde der zeitliche Verlauf der einzelnen Sensoren um sp ter daraus das f r die Ansteuerung des Airbags erforderliche Gesamtgewicht zu ermitteln Daf r musste das VI derma en umgestaltet werden dass es die Ausgangsspannung der DMS in gen gend kleinen Intervallen ausgeben konnte Es wurde eine Intervalll nge von 10 Millisekunden gew hlt um im weiteren eine hinl ngliche Frequenzanalyse durchf hren zu K nnen Vor Beginn der Testfahrt wurde der Nullpunkt abgeglichen um diverse Offsetfehler zu eliminieren und der Anschnallvorgang wurde dokumentiert um feststellen zu k nnen ob bzw wie ein Zug am Gurtschloss das Gesamtgewich
90. ie jeweiligen Hysteresen f r die beiden Federn und verschiedenen Belastungsf lle dargestellt Belastet wurde mit Druck und Zugkr ften von 100 200 300 400 und 470 N Wie man aus obigem Diagramm entnehmen kann bleibt die Hysterese in bezug auf den Belastungsbereich prozentuell ziemlich konstant Die Gr e der Hysterese scheint aber f r eine Weiterverfolgung des Sensorkonzeptes zu betr chtlich Erkl ren kann man die relativ breite Hystere dadurch dass es beim Belasten der Feder zu einer Bewegung in zwei Dimensionen kommt nach unten und zur Seite Dieser Sachverhalt f hrt zu einer enormen Reibung zwischen dem Au enteil und dem Innenteil des Sensors Daher resultiert ein weiterer Wunsch f r die n chste Version des KMB n mlich dass das neue Sensorkonzept tolerant gegen ber diesen Einfl ssen ist Weiter w rde sich aufgrund der schwimmenden Befestigung des KMB in der Sitzkonstruktion die Reibung welche zwischen den Schwingen und dem KMB auftritt zus tzlich zu diesem Wert addieren Resultieren w rde daraus eine unzureichenden Messgenauigkeit Dies ist ein gegen ber den anderen Konstruktionen gravierender Mangel Autor Roland Schaller 71 123 Diplomarbeit Gewichtssensor 4 4 3 Abnahme der Empfindlichkeit gegen Uhrzeigersinn rel Empfindlichkeit D t Feder 1 Kosinusfunktion mit Uhrzeigersinn 80 60 40 20 0 20 40 60 80 Winkel in Grad Bil
91. ieder belastet Dies wurde f nf mal durchgef hrt Wie aus den Kennlinien deutlich ersichtlich ist ist der Verlauf der Kurven nahezu parallel was auf eine gute Reproduzierbarkeit hindeutet Die Verschiebung zwischen den Kurven deutet auf Reibungsverluste in der Sitzkonstruktion hin die einen Offset verursachen Weiter ist keine Regelm igkeit festzustellen Es gibt zwischen den einzelnen Offsets also keinen Zusammenhang dass dieser mit jedem Mal Belasten ab bzw zunehmen w rde Der Offset k nnte jedoch durch einen erneuten Abgleich des Systems mittels geeigneter Software kompensiert werden Autor Roland Schaller 62 123 Diplomarbeit Gewichtssensor Ausgangsspannung mV Messung 1 E Messung 2 Messung 3 Winkel Grad Bild 46 Hysterese beim Hoch und Runterfahren des Sitzes mit Teflonscheiben f r KMB Version 2 0 In Bild 46 ist die Hysterese welche beim Hoch und Runterfahren des Sitzes entsteht bei Verwendung von Teflonscheiben dargestellt Es wurde ein einmaliger Abgleich durchgef hrt danach wurde der Sitz mit 40 kg belastet und dreimal komplett in der H he verstellt d h von der tiefsten zur h chsten Sitzposition und wieder zur ck Es ist deutlich zu erkennen dass die Sensoren beim Rauffahren ein anderes Gewicht zeigen als beim Runterfahren Dies kann aufgrund von Verkippung der KMB und durch Reibungsverluste auftreten Zu erkennen ist dass der ma
92. ierten Generation Prentice Hall Verlag 1997 Linsmeier D Sensor Systems for the Automobile Moderne Industrie Verlag 1998 Tietze U Schenk Ch Halbleiter Schaltungstechnik Springer Verlag 1990 Benutzerhandbuch iGrafx Designer Micrografx 1999 Drewitz F Autoelektrik Autoelektronik Vieweg Verlag 1998 Siegert E Fahrsicherheitssysteme Vieweg Verlag 1998 Tr nkler H Obermeier E Sensortechnik Springer Verlag 1998 Czichos H Die Grundlagen der Ingenieurwissenschaften Springer Verlag 1991 Autor Roland Schaller 96 123 Diplomarbeit Gewichtssensor 11 Anhang 11 1 Pflichtenheft Sache Vorentwicklung eines Kraftmessbolzens zur S tzgewichtssensierung f r zuk nftige Airbagsysteme zur Unterscheidung der Sitzbelegung zwischen einem Kind und einer sog 5 Frau Merkmale Spannungsversorgung ber Steuerger t 5 V Schnittstelle Analogspannung oder PWM Signal lineare Kennlinie Bestimmte mechanische Spezifikationen sind den Unterlagen von AB PSE bzw AB ESS entnommen Die Sitzgewichtssensierung muss die gesetzliche Vorschrift FMVSS208 erf llen 1 0 Mechanische Anforderungen 1 1 Konstruktion und Aufbau Der Kraftmessbolzen muss so ausgelegt werden dass er pro S tz mehrfach verbaut werden kann Die mechanischen Abmessungen sind entsprechend der Belastung und den Gegebenheiten am Common Seat bzw vergleichbaren S tzkonstruktionen nach Optimierungsaspekten bzgl Funktion und Kosten
93. igung So ist dieser Bolzen ein reiner Dreh und Fr steil bzw kann in der sp teren Produktion kaltgepresst werden Das Messelement muss nachbearbeitet werden damit eine vorgegebene Genauigkeit erreicht werden kann Es besteht aus Edelstahl um etwaige magnetische Kurzschlusse zu tilgen Da die Empfindlichkeit von der Fertigungstoleranz abh ngt ist es vorstellbar dass nach dem Zusammenbau des Sensors eine Programmierung des Hallelements erfolg um eine genaue Empfindlichkeit des Hallelements zu erreichen Aufgrund der Konstruktion des Messelementes im Inneren kann der Sensor relativ leicht an verschieden gro e Belastungskr fte angepasst werden Dies erfolgt in dem die L ngsfr sung im Inneren im Durchmesser variiert bzw seitlich eine zus tzliche Schw chung durch Abfr sung durchgef hrt wird Der Sensor wird also umso weicher je weniger Querschnittsfl che das Biegeelement aufweist Die Materialwahl bietet auch den zus tzlichen Vorzug dass der Sensor gegen Umwelteinfl sse wie Korrosion besser gesch tzt ist als seine Autor Roland Schaller 74 123 Diplomarbeit Gewichtssensor Kontrahenten aus Automatenstahl Er bietet die M glichkeit sowohl Druck als auch Zug vorzeichenrichtig zu messen Dies erlaubt es die F lle zu ber cksichtigen in denen sich der Fahrgast mit den F ssen am Armaturenbrett abst tzt und sich stark zur cklehnt Durch seine ausgefeilte Konstruktion ergibt sich ein automatischer berlastschutz Kommt es im Crashfa
94. ild 39 Kennlinie KMB 2 0 Abnahme der Empfindlichkeit als Funktion des Winkel a f r 1P Auflage In Bild 39 ist die Abnahme der Empfindlichkeit des Sensors die auch schon aus Bild 38 ersichtlich war in Abh ngigkeit des Winkels in welcher der Sensor zur Krafteinwirkung steht dargestellt Die bei Grad auftretende maximale Steigung k der Regressionsgeraden wurde als 100 f r die Auswertung herangezogen Die Werte f r die anderen Winkelstellungen wurden daraus abgeleitet Gut ersichtlich ist aus der Abbildung dass die Empfindlichkeit relativ konstant bei Verdrehung abnimmt und bei 85 Grad eine Restempfindlichkeit von ca 10 erreicht Theoretisch m sste sich ein Kosinusverlauf einstellen Empfindlichkeit E Um m F N S 2 Die Empfindlichkeit ist definiert als das Verh ltnis der resultierenden Dehnung e und der einwirkenden Kraft F Regressionsgerade y k x d 3 k Steigung der Geraden d Nullpunktsverschiebung der Geraden Autor Roland Schaller 56 123 Diplomarbeit Gewichtssensor 90 80 70 60 50 4 Empfindlichkeit 40 30 20 Empfindlichkeit bei 1P 10 Empfindlichkeit bei 2P A Kosinusfunktion 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Winkel Grad Bild 40 Kennlinie KMB 2 0 Abnahme der Empfindlichkeit als Funktion des Winkel a fur 1P und 2P Auflage Bild 40 zeigt im Gegensatz zu Bild 39 den direkten Vergleich de
95. innenwidersiand der Signaispannungsauelle Zingang f r Thermosiemenimessung ET 150 10 3275 MeBbereich dicital einstellbar l a ER Mebiraqguenzbersich j o S Insarisierungsbersich i Si gt I lt 269 1370 210 1198 50 1764 270 392 E 3 t Maximaler innenwiderstand kOhm 1 3 Ni CrNi IK Fe CuNi Ui Pt 10PiRh Si Cu CuNi iT Feher der Linsarisisrung nach DIN IEC58 Tei F o H 0 1 Temperaturbereich f r Vergleichsstelle 2 DC 20 80 Maxima zul ssige Gleichtakispannung V 62 Zingang f r Sirommessung asymmetrisch an internen Normalwiderstand 50 Ohm Singangssignalbareich mA 50 50 vieSbersich digital einstellbar mA 4 50 max Me frequenzbersich Hz 0 2400 1dB Nuiverschigbung einstelibar lepender Nullpunkt mA 0 50 MeBireauenzbereich tieipa mit Buferworth Cherakieristik i H2 Hz Hat ms ms 2400 i 2400 3250 028 0 105 KOR RO PT KY 8 u x Li i ee 200 2050 2350 040 0 170 10004 1050 1190 0 66 0 336 500 500 588 0 90 0 64 ch LOCH Nennwert fe 1dB 3dB Laufzeit Anstiegszeit schw BO 79 99 3 65 3 8 40 37 5 49 5 CO Z D 250 246 291 1 45 1 3 20 19 255 11 13 3 t 10 8 9 12 4 20 26 5 45 62 42 50 moms iHz iHz Hz ims ms Si 11004 1100 1780 0 45 0 23 13 400 445 805 7 200 23 410 100 117 210 0 45 1 3 0 85 de lt gt tA f Nennwert fc idB 3dB Lauizeit Anstiegszeit U schw
96. is auch graphisch darzustellen wurde ein wie in Bild 26 dargestelltes Messfenster kreiert Es handelt sich dabei um eine Echtzeitgraphik in die ein x y Graph ein Analoginstrument und ein Digitalinstrument integriert wurden Autor Roland Schaller 41 123 Diplomarbeit Gewichtssensor Bild 26 Messfenster Zu sehen ist die nach der Messung ermittelte Kennlinie des zu untersuchenden Sensors in x y Darstellung Auf der x Achse ist die verursachende Kraft in Newton N und auf der y Achse die Reaktion des KMB darauf in Volt V aufgetragen Darunter sind die aktuellen Werte w hrend der Messung eingeblendet Links der Referenzsensor C2 mit einem Maximalwert von SOON und rechts als Analoginstrument dargestellt die Ausgangsspannung des Hallelements in Volt Dies sollte w hrend der Messung eine Erleichterung darstellen da immer beobachtet werden konnte ob die Reaktion des Sensors die gleiche Tendenz aufweist wie die erregende Kraft und Anzeigen vom Menschen besser interpretierbar sind als Werte in Tabellenform Um den Datenfluss nachvollziehen zu k nnen bot die verwendete Software die M glichkeit diesen wie im nachfolgenden Bild zu visualisieren Abgebildet ist oben der Messverst rker von HBM mit seinen Einschubkarten Durch Ausw hlen der gew nschten Messkan le konnte ihr Informationsfluss gezeigt werden Weiter bot sich die M glichkeit eines Nullabgleichs f r die ausgew hlten Kan le Autor Roland Schaller 42 123 Diplomarb
97. ischen 8 und 9 V angehoben wird Alle angeschlossenen Komponenten m ssen ebenfalls f r diese Spannung ausgelegt sein Dies kann vorstellbar auch nach dem Einbau ber das Steuerger t erfolgen Die Ausgangsspannung ist proportional zur Versorgungsspannung Wenn sich der Sudpol bzw der Nordpol eines Magneten seitlich am Sensor vorbeibewegt kommt es zu einem Anstieg bzw Abfall der Ausgangsspannung Die Anschl sse des Sensors bzw seine Innenbeschaltung sei in der nachfolgenden Abbildung dargestellt Es erfolgt die positive Spannungsversorgung ber Pin 1 Der Anschluss der Masse erfolgt ber Pin 3 Pin 2 und wird f r die Programmierung benutzt wobei Autor Roland Schaller 22 123 Diplomarbeit Gewichtssensor er sp ter im Gebrauch mit der Masse verbunden werden kann Mit Pin 4 kann die analoge Ausgangsspannung gemessen werden 90251 in 451PVA VDO Capacter me typ LinF Kudilayer zurfare meunted capections are recommend ed Shift Register E E P RO mM Bild 13 MLX 90251 Pinbelegung Blockschaltbild 2 2 1 3 Magnete Bramag Verwendet wurden Selten Erden Magnetstoffe Bramag 18 SmCos welche eine sehr hohe spezifische Energiedichte aufweisen Sie stellen daher ein Optimum in Bezug auf Platz St rbarkeit Gewicht und Gr e des Magnets dar Die Magnetwerkstoffe sind mit den Bestandteilen Kobalt hohe Remanenz und Samarium hohe Koerzitivfeldst rke gesintert Eine Anistropie des Werkstoffes kann durc
98. kel verbindet Auch bei Sitzkonstruktionen ohne Sitzh henverstellung kann der KMB zum Einsatz kommen da in fast allen g ngigen Konstruktionen der Sitzaufbau mittels Schrauben mit der Schienenkonstruktion verbunden wird und somit eine korrekte Krafteinleitung erfolgen kann Daraus ergeben sich nat rlich enorme Vorz ge gegen ber den anderen Systemen Es kommt zu keiner unerw nschten Anhebung des H Punkts Folglich muss die vorhandene Sitzkonstruktion gar nicht bzw nur leicht ver ndert werden Dies ist ein enormer Bonus da eine Modifikation des bestehenden Aufbaus immer eine Ab nderung der Produktionsstra e des Sitzlieferanten und eventuell der Bodengruppe des Fahrzeuges nach sich zieht und somit zus tzliche Kosten verursacht Einen sehr wichtigen Aspekt den der Kraftmessbolzens auch erf llt ist dass es zu keiner optischen Beeinflussung des Gesamtsystems kommt Dar ber hinaus sind die Autohersteller auch deshalb an einer in das bestehende System leicht zu integrierenden L sung interessiert weil die Vorarbeiten f r die Produktion der dann auf den Markt kommenden Kraftfahrzeuge bereits voll am Laufen ist und ein Eingreifen in die bestehenden Planungsvorg nge sich als schwierig gestaltet In Bezug auf die Art der Sitzh henverstellung die mittlerweile in Autos der gehobenen Mittel und Oberklasse elektrisch vollf hrt wird ergibt sich zu gew hnlicher Verstellung mit Hand kein gravierendes Manko Der Sensor befindet sich auch an eine
99. kg m H A Ikgms A TmA VsA m1 Ikgms A TmA Va m1 1 92 123 Diplomarbeit Gewichtssensor 8 Abbildungsverzeichnis Bild 1 Position des Fahrzeuginsassen Bild 2 Insassensensierung Spezifikation des Alters Gr e und Gewichts Bild 3 Innenraum berwachung mit optischen Methoden Bild 4 Summenbildung des Gewichts Bild 5 Darstellung der verschiedenen Versionen des KMB Bild 6 Einbauplatz des KMB Frontansicht Bild 7 Einbauplatz des KMB in R ckansicht Bild 8 Ansicht der Messtechnik auf der Unterseite des Demonstrators Bild 9 Belastungsf lle Topfbolzen Weg nderung auftretende Spannungen Bild 10 Hallsensor homogener und inhomogener Elektronenfluss durch das Halbleiterpl ttchen und geometrische Anordnung Bild 11 Bild 12 Bild 13 Bild 14 Bild 15 Bild 16 Bild 17 Bild 18 Bild 19 Bild 20 Bild 21 Bild 22 Bild 23 Bild 24 Bild 25 Bild 26 Bild 27 Bild 28 Bild 29 Bild 30 Bild 31 Bild 32 Bild 33 Bild 34 Bild 35 Funktionsweise des analogen Hallelements Verwendeter Hallsensor KSY 14 MLX 90251 Pinbelegung Blockschaltbild Wheatstone sche Bruckenschaltung Voll Halb und Viertelbrucke Einfluss der Temperatur Dehnmessstreifen Auslosevorgang des Airbags Aufbau eines Steuergerates Blockschaltbild des Steuergerates konventionelle serielle Datenubertragung Prinzip der Krafteinleitung bei der Versuchsanordnung bzw in der Sitzkonstruktion Hysterese
100. latz 2949120 Mebwerte Bere E MT Bee Abbrechen Ok Autor Roland Schaller 103 123 Diplomarbeit Gewichtssensor Bild 84 Ger teeinstellungen Kanaleinstellungen Filter Br cke e Melkanal Typ Betriebsart r Filtertyp Frequenz Hochpal Kan MER kane Mil 10 Serelbr tan e IC Som Mean omMswolkr cke De cn a lien 4 ML 30 r EE AUS rennen frei alas MAL 35 Frigg Ksv14 KL 01 DE 10W Ger t D Einschub 1 5 m E el dn Butterworth 40 0 Aus x Abbrechen Bild 85 Kanaleinstellungen Aufnehmer anp ssung Mebbereich Mullgurkt HTH N a Pa Raa el e LEE l MeBbereich MHennwert HE M ar MeBkanal Mebwert Anzeige Einheit MeBwert Anzeige ME SE oe C2_500N m mv Ju op m ao SS ee C car Aa fan Sprecher Mes ses E 4 Kanal 11 8 vk Yerst rker an Eingangs kennlinie koppeln Abbrechen SE Bild 86 Aufnehmeranpassung Autor Roland Schaller 104 123 Diplomarbeit Gewichtssensor Einstellungen periodische Messung Dateiname Bateneme Bild 87 Einstellung der Messzeit Autor Roland Schaller 105 123 Diplomarbeit Gewichtssensor MAX Measurement and Automations Tool IS MAX DMS rett Datei Bearbeiten Ansicht Werkzeuge Hilfe EE Properties Delete A Test Konfiguration mo DMS pi 4 Zeigen Verdscken fa Mein System H E Datenumgebung tribute Value Channel Name
101. ll zu einer berschreitung des normalen Belastungsfalles so legt sich der Au enteil nach Verbrauchen des Luftspaltes am Innenteil an und der Sensor reagiert wie ein konventionelle Schraube Weiter bewirkt das Design des Bolzens dass er Gewichtskr fte die durch den Fahrgast von oben eingeleitet werden detektiert aber Beschleunigungskr fte normal dazu wie sie bei schneller Kurvenfahrt auftreten ihn so gut wie gar nicht beeinflussen Beim Topfbolzen sind auch im Gegensatz zu den anderen Versionen keine Unterlegscheiben notwendig was zu einer erheblichen Verminderung der Hystereseverluste durch Reibung Fertigungs und Montagekosten f hrt Dies wird erm glicht da der Sensor nicht mehr schwimmend in der Sitzkonstruktion fixiert ist sondern mit der Sitzschiene fest verschraubt und gegen Verdrehen gesichert ist Zus tzlich ist er auf der anderen Seite der Schenkel zur H henverstellung mit einem Bajonettverschluss befestigt und kann so die beiden Schenkel in einem definierten Abstand zueinander halten so dass zwischen ihnen keine Reibung auftreten kann Ist die seitliche Belastung zum Beispiel im Crashfall erheblich so kann es auf Grund der Konstruktion dazu kommen dass sich die beiden Schenkel elastisch verformen und ber hren Dies hat aber nach der Entlastung keinen bleibenden Einfluss Weiter besteht die M glichkeit den Sensor vollgekapselt auszuf hren was ihn gegen Umwelteinflusse sehr resistent macht 4 5 1 Reproduzierbarkeit
102. m Idealen zu t tigen Herangezogene Kriterien waren daf r die Hysterese und die Abweichung von der Linearit t Wichtig sind diese Parameter f r die Absch tzung des Fehlers der bei der Messung des Gewichtes entsteht Bei diesen Test wurde dar ber hinaus der Aspekt der mechanischen Aufnahme Befestigung des Sensors in der Sitzkonstruktion untersucht Grunds tzlich boten sich 2 L sungsans tze an die sogenannte Einpunkt bzw die Zweipunktaufnahme Autor Roland Schaller 17 123 Diplomarbeit Gewichtssensor Weiter wurde der Einfluss der zu erwartenden Reibung durch die bestehende Konstruktion eingehender untersucht Konstruktionsbedingt verbindet der KMB die zwei Blechpressteile die zur Sitzh henverstellung verwendet werden und zwischen denen naturgem eine gewisse Reibung auftreten kann Ziel ist es diese Reibung durch eine geeignete Materialwahl oder einem Entwurf auf ein Minimum zu reduzieren da diese zu einer Verf lschung des Messergebnis f hrt An Hand eines Demonstrators der auf der Basis der bestehenden Sitzkonstruktion anfertigte wurde konnten neue Erkenntnisse gewonnen werden Die Aufnahme der Messsignale erfolgte mittels einer Analogkarte deren Werte mit einer Analog Digitalkarte in ein f r einen Laptop verwertbares Signal umgewandelt wurden Die Platzierung der Messplatinen auf der Sitzunterseite istin Bild 8 zu erkennen on Bild 8 Ansicht der Messtechnik auf der Unterseite des Demonstrators Um Aussagen ber
103. m Scale Configuration Bild 90 eingestellt werden Hilfreich war der Wizard von der Firma NI National Instruments Damit besteht die M glichkeit die Einstellungen zu testen und das eingehende Signal auf dem Monitor darzustellen Dies konnte durchgef hrt werden indem der darzustellende Kanal z B DMS rvO ausgew hlt und durch anschlie endes Dr cken der Schaltfl che Test im Konfigurationsfenster von MAX Bild 88 aktivieren wurde Siehe im Anhang auch Testfenster Bild 91 Autor Roland Schaller 47 123 Diplomarbeit Gewichtssensor LAB VIEW FRONTPANEL Zur Aufzeichnung der Daten wurde ein VI in Lab View kreiert das diese mit Hilfe des Functionpanel Bild 92 aufbereitet in einer TXT Datei ablegt und im Frontpanel graphisch darstellt Das Frontpanel mit seinen wichtigsten Elementen ist in Bild 32 dargestellt Messboizen ma Fa bes Beebeier Aurich Wetzsg Beie Geh b s msn am en et r TTT LL TE TI 9 TEE SHRSRES SERRA EES EE LE 8 ne KI E Aen ee a Pitlat lla sl this te pap Bild 32 Frontpanel Auf dem Frontpanel ist das Gesamtgewicht in kg ersichtlich wobei bei einer berschreitung der Schwelle von 37 kg das Anzeigeelement Airbag auf Aus umschaltet und die Farbe des Balkens von rot auf gr n wechselt Die Taste Messung dient zur Umschaltung zwischen den Betriebsarten mit Hall oder DMS Gestartet wurde das VI mit der Pfeiltaste oben
104. mit auch zu einer Anderung des Gesamtgewichts Je nach befahrenem Stra enbelag ergibt sich eine mehr oder wenig starke Abweichung von der Regressionsgeraden Diese soll den laufenden Mittelwert des Gesamtgewichtes widerspiegeln und die Tendenz erkennen lassen ob dieses konstant bleibt oder sich verandert So ist deutlich aus dem Vergleich zwischen einer Autobahnfahrt und dem Befahren eines Steinplattenweges zu erkennen dass die jeweiligen Gesamtgewichte zwar im selben Bereich liegen jedoch unterschiedlich starke Schwankungen aufweisen Es ist erkennbar dass das Gesamtgewicht beim Steinplattenweg starker variiert Selbiges gilt auch fur den Vergleich zwischen der Fahrsituation Bremsen und Beschleunigen und dem Befahren der Autobahn Das bedeutet das bei der Auswertung unbedingt eine Mittelwertbildung erfolgen muss bzw ein Beobachter eingesetzt werden muss weil das Airbagsteuerger t ansonsten kontinuierlich ein bzw ausschalten w rde Weiter ist noch sehr auff llig an diesen Messungen dass die einzelnen verwendeten Sensoren eine unterschiedliche Empfindlichkeit aufweisen Zu erkennen ist dass die hellblaue Kennlinie des Sensors DMS Ih3 3 Sensor links hinten ungef hr doppelt bis dreifach so empfindlich ist wie die anderen Die m glichen Erkl rung daf r liegen einerseits darin dass sich die einzelnen Sensoren aufgrund der Fertigungstoleranzen zu einem geringen Teil unterscheiden eher aber in einer Verspannung der Sitzkonstr
105. mittelt weshalb im Punkt 0 0 keine Hysterese auftritt Zu sehen ist dass die Abweichung von der Regressionsgeraden gegen ber den Bolzen der vorangegangenen Versionen stark abgenommen hat Autor Roland Schaller 76 123 Diplomarbeit Gewichtssensor 4 5 2 Ansprechen des berlastschutzes Druck 0 2 0 1 0 0 1250 1000 750 500 250 0 250 500 750 1000 1250 0 1 Ausgangsspannung in V 0 2 DA 0 4 2 Druck Kraft N Bild 60 Ansprechen des berlastschutzes KMB Version 5 0 Bild 60 zeigt die Wirksamkeit des berlastschutzes Der Sensor wurde solange belastet bis bei einer einwirkenden Kraft von ca 1050 N die Schutzwirkung einsetzt berschreitet das Gewicht diesen Wert dann ist der f r die Bewegung der Glocke vorhandene Luftspalt verbraucht und diese legt sich am Innenteil des Sensors an Nun kann es zu keiner weiteren Verbiegung des Doppelbiegebalken kommen Dadurch kann es auch Zu keiner weiteren Verschiebung des Magneten gegen ber des Hallelements kommen und somit zu keiner Erh hung der Ausgangsspannung Autor Roland Schaller 77 123 Diplomarbeit Gewichtssensor 4 5 3 Abnahme der Empfindlichkeit Belastung 500N Kosinusfunktion rel Empfindlichkeit 80 0 60 0 40 0 20 0 0 0 20 0 40 0 60 0 80 0 Winkel Grad Bild 61 Abnahme der Empfindli
106. n Die Teflonscheiben wurden zwischen den sich verdrehenden Schenkeln der Sitzh henverstellung eingebracht um diese auf Distanz zu halten so dass nicht Metall auf Metall reiben konnte KMB Da aber Teflonmaterial flie t ist ein Einsatz in der sp teren Produktion nicht erlaubt wohl aber zum berpr fen der Schenkel H henverstellung Sitz Teflonscheibe o or ei vermuteten Probleme Schenkel der Dargestellt ist in Bild 29 die Sitzschiene Stelle an der die Teflonscheiben eingebracht wurden Bild 29 Einbauplatz der Teflonscheiben 3 2 2 Einfluss der Haftreibung auf den KMB Untersucht wurde wie sich eine unter einem bestimmten Winkel erfolgende Krafteinleitung auf die Hysterese des KMB auswirkt Vermutet wurde dass es zum Anhaften des Bolzens der Version 2 0 kommen k nnte Dieser Sachverhalt ist in der untenstehenden Skizze genauer dargestellt Wird die Kraft unter einem bestimmten Winkel eingeleitet so kommt es aufgrund des vorhandenen Spiels zu einem seitlichen Versatz des Sensors und dadurch zu einem seitlichen Anhaften bzw Verhacken an der im roten Kreis e hervorgehobenen Problemstelle Die in Bild 30 verbildlichte Reaktion hat zur Folge dass es nach dem Entlasten des KMB nicht sofort zu einem L sen dieses metel von der Aufnahme kommt sondern erst Sr verz gert bei weiterem Entlasten Sitzschiene Dieser vermutete Effekt der sich wiederum als eine Verbreiterung der Hysterese
107. n Hallsensoren e schaltend e analog Bei ersteren kommt es durch das Annahern eines Magneten zu einem Schaltspiel Ist kein magnetisches Feld gegenw rtig dann ist der Sensor in der Ausstellung Beeinflusst hingegen eine magnetische Quelle das Messelement dann wechselt er in den Einzustand ber Diese Art beinhaltet zwar ein analoges Hallelement mit Hilfe der Auswerteelektronik werden aber nur zwei Schaltzust nde erlaubt Da aber eine Sitzbelegungserkennung nicht ausreichend ist sondern das Gewicht der zu sch tzenden Person gemessen werden soll ist diese Art der Hallsensoren ungeeignet Die zweite Gruppe bilden die analogen Hallelemente Mit ihnen ist es m glich ein der Eingangsgr e proportionales Ausgangssignal zu generieren Stellt man sich nun ein Magnet vor welcher sich auf den Hallsensor zu bewegt so steigt mit sinkendem Abstand die Ausgangsspannung Siehe nachstehendes Bild i ZS i Bild 11 Funktionsweise des analogen Hallelements Autor Roland Schaller 21 123 Diplomarbeit Gewichtssensor 2 2 1 1 KSY 14 von Infineon Verwendet wurde einerseits der Hallsensor KSY 14 der Firma Infineon der durch das Implantieren von lonen in monokristallinem GaAs gefertigt wird Seine Eigenschaften sind eine hohe Sensitivit t hohe Betriebstemperatur kleiner Linearit tsfehler kleine Offsetspannung niedriger Temperaturkoeffizient extrem kleines Plastikgeh use mit einer Dicke von 0 7 mm und Anschl sse auf einer Seit
108. nalen Endstufen an die gen gend Leistung fur den direkten Anschluss der Stellglieder Aktoren liefern Diese Endstufen sind gegen ber Kurzschl ssen gegen Masse oder der Batteriespannung sowie gegen Zerst rung durch elektrische berlastung gesch tzt Zus tzlich werden einige Ausgangssignale ber Schnittstellen an andere Systeme weitergegeben 2 4 4 3 Signalverarbeitung im Steuerger t Steuerger t Signal Mikro End aufbereitung prozessor stufen digitale Eingangssignale Stellglieder Aktoren analoge Eingangssignale Diagnose pulsf rmige Eingangssignale Schnittstelle zu anderen Systemen Bild 20 Blockschaltbild des Steuerger tes Autor Roland Schaller 32 123 Diplomarbeit Gewichtssensor Die Mikroprozessoren im Steuerger t verarbeiten die Eingangssignale Sie ben tigen daf r ein Programm das in einem Festwertspeicher ROM EPROM oder Flash EPROM gespeichert ist Zus tzlich sind fahrzeugspezifische Daten sowie Abgleich oder Fertigungsdaten in einem nichtfl chtigen Schreib Lesespeicher EEPROM gesichert Wegen der Vielzahl der Motor und Ausstattungsvarianten sind Steuerger te mit einer Variantencodierung ausgestattet Die Information auf welche Variantencodierung das Steuerger t zugreifen soll erh lt das Steuerger t vom CAN Bus einem anderen Steuerger t oder vom EEPROM 2 4 5 Daten bertragung zu anderen Systemen Der verst rkte Einsatz von elektronischen Steuer und
109. ne Ver nderung der Ausgangsspannung der Br ckenschaltung zur Folge Die Br ckenschaltung bietet ausgezeichnete M glichkeiten bei der Umformung die Auswirkungen von unerw nschten Einfl ssen wie sie z B durch Temperatureinwirkung auftreten k nnen zu kompensieren Bild 14 Wheatstone sche Br ckenschaltung Das obige Bild gibt schematisch den prinzipiellen Aufbau der Br ckenschaltung wieder die aus vier Br ckenzweigen mit den Widerst nden R bis R4 besteht Die Speisung der Schaltung erfolgt mit einer Spannung an den gegenuberliegenden Eckpunkten 2 3 Die Wirkungsweise der Brucke besteht darin dass die Ausgangsspannung welche an den anderen beiden Eckpunkten 1 4 abgenommen wird von den Widerstandsverh ltnissen innerhalb der vier Br ckenzweige abh ngig ist Dieser Effekt wird beim Messen mit DMS genutzt indem ein Widerstand der Br cke durch einen DMS ersetzt wird und somit die nderung der Ausgangsspannung der Dehnung proportional ist Durch Anwendung der Kirchhoff schen Maschenregeln erh lt man folgenden Zusammenhang Gleichung 5 Um Bruckenausgangsspannung Us Bruckenspeisespannung Aus diesem Zusammenhang kann man ersehen dass unter den folgenden Bedingungen die Messbrucke abgestimmt ist und die Ausgangsspannung Null ist Autor Roland Schaller 25 123 Diplomarbeit Gewichtssensor R1 R2 R3 R R R gt und R3 Ry Gleichung 6 R Ro R3 R4 Um die weiteren Betrachtungen zu vereinfachen wir
110. ne auf diesem Weg waren die Airbags heute f r Front Seiten Knie Fond Fu raum Kopfst tzenairbags mit zwei oder mehrstufigen Gasgeneratoren zur Ausl sung Die Arbeitsweise eines Airbags sei im folgenden beschrieben Um Fahrer und Beifahrer zu sch tzen blasen nach einem von Sensoren erkannten Fahrzeugaufprall pyrotechnische Gasgeneratoren die Airbags explosionsartig auf Um die volle Schutzwirkung zu liefern muss der Airbag vollkommen gef llt sein bevor der Insasse ihn ber hrt Nach dem Crash entleert er sich in einer Zeit von 80 bis 100 ms durch Ausstr m ffnungen bzw durch das por se Au enmaterial Die Ausl sung ist im nachfolgenden Bild gezeigt Autor Roland Schaller 29 123 Diplomarbeit Gewichtssensor Bild 18 Ausl sevorgang des Airbags 2 4 2 Komponenten des Insassensicherheitssystems e Airbag e Gasgenerator e Beschleunigungssensor e Kombiniertes Steuerger t Die Beschleunigungssensoren sind meist direkt ins Steuerger t integriert Die Sensoren f r die Sidebags sind meist an ausgew hlten Stellen der linken und rechten Karosserieseite angebracht Ihre Pr zision ist lebenswichtig Bei den Beschleunigungssensoren handelt es sich um oberfl chenmikromechanische Bauteile die aus festen und beweglichen Fingerstrukturen und Federstegen bestehen Das Feder Masse System ist mit einem speziellen Verfahren auf die Oberfl che einer Siliziumscheibe Wafer aufgebracht Im Mittelpunkt der bedarfsgerechten Schu
111. nempfindlicher gegen ber dem ohmschen Widerstand in den Messleitungen Daf r aber bilden sie bessere Antennen f r den Empfang von St rimpulsen Der Bereich in dem der Sensor betrieben werden kann betr gt 70 bis 200 Grad Celsius und bietet folglich genug Reserven um in einem Kraftfahrzeug zum Einsatz zu kommen Die Referenztemperatur f r welche die technischen Daten gelten ist 23 Grad Celsius Weitere Informationen sind aus dem Datenblatt im Anhang zu entnehmen Aufgrund der starken mechanischen Belastung an der Verbindungsstelle zwischen DMS und Messelement ist es nicht erlaubt diese Dehnungsmessstreifen in der KFZ Branche zu verwenden weil die erforderliche Verklebung von diesen f r den Einsatz in einem Personenwagen nicht hinreichend gew hrleistet werden kann Deshalb werden bei der Endfertigung des KMB DMS in D nnschichttechnik verwendet und entweder mit Ultraschall oder Widerstandschwei en befestigt Auf der rechten Seite ist der Dehnmessstreifen von HBM abgebildet bei dem die Anschl sse f r die Br ckenspeisespannung und f r die Ausgangsspannung sowie die Struktur des Widerstandsdrahtes erkennbar sind Bild 17 Dehnmessstreifen 2 4 Weiterverarbeitung der KMB Signale 2 4 1 Allgemeines Mit der Einf hrung der Sicherheitsfahrgastzelle und des Sicherheitsgurtes in Kraftfahrzeugen begann die verst rkte Entwicklung verschiedener Zusatzeinrichtungen zur Verbesserung des passiven Insassenschutzes Wichtige Meilenstei
112. nen sie auftreten oder entstehen dargestellt Das Zustandekommen der Krafteinleitung erfolgte in mehreren Schritten Ein von einem Funktionsgenerator 1 generiertes elektrisches S gezahnsignal mit gleicher steigender und fallender Flanke diente zur Ansteuerung eines Druckmodulators 2 Die Dauer der steigenden und fallenden Flanke wurden deshalb gleich lang gew hlt um ein gleichf rmiges Be und Entlasten des KMB zu gew hrleisten Der Druckmodulator lieferte ein dem Eingangssignal proportionales Ausgangssignal im Form eines Drucks p Mit Hilfe der Druckeinrichtung 3 konnte dieses Signal in eine mechanische Kraft F umgewandelt werden Diese auf den KMB einwirkende Kraft verformt diesen wodurch ein Ausgangssignal mittels dem applizierten DMS bzw Hallelement generiert werden konnte das mittels Messverst rker 4 aufgezeichnet werden konnte Es wurde der Sensor in einer der Sitzkonstruktion aquivalenten Aufnahme fixiert die den realen Gegebenheiten nachgebildet war Der in Eigenregie entwickelte Druckmodulator wurde von der Firma Bosch zur Verf gung gestellt Um eine Aussage ber die Kennlinie des Sensors zu erhalten muss die auf diesen ausge bte Kraft als Vergleichswert herangezogen werden Dies geschah mit Hilfe eines Referenzsensor der Firma HBM Autor Roland Schaller 39 123 Diplomarbeit Gewichtssensor Fehlerquellen Nat rlich soll in diese berlegung mit einflie en dass ein m glichst genauer Referenzsensor unerl ssl
113. ng e Bei Best ckung mit einem vollintegriertem Hallsensor besteht die Diagnosem glichkeit f r die Grundfunktionen des Hallelements und die Magnetanwesenheit e Keine H ftpunkterh hung und damit verbunden keine Einbu e der Kopffreiheit e Keine Sitzmodifikationen n tig Autor Roland Schaller 14 123 Diplomarbeit Gewichtssensor 1 3 1 Historie der Kraftmessbolzen Yarcs oyn L gees g LD y IRingbolz eh einfaches Messprinzip eiffache Fertigung Uberlastschutz gegeben kleinbauend Hall und DMS Hysterese gut unidirektional Befestigung mangelhaft KSY 14 Infineon 1 X Y9T T 5 120 HBM einfaches Messprinzip einfache Fertigung Uberlastschutz gegeben kleinbauend Hallund DMS unidirektional Befestigung mangelhaft Hysterese zu gro KSY 14 Infineon 1 XY91 1 5 120 HBM einfaches Messprinzip einfache Fertigung berlastschutz gegeben kleinbauend gute Befestigung unidirektional Hysterese zu gro nur Hall KSY 14 Infineon bidirektional berlastschutz schlecht relativ gro DMS schwer realisierbar relativ komplizierte Fertigung drehen und fr sen Hysterese zu gro Unsymmetrie der Messfedern bewirkt unterschiedliche Empfindlichkeiten MLX 90251 Melexis 1 XY91 1 5 120 HBM hoher und automatischer Uberlastschutz bidirektional vorzeichenrichtig Bolzen reagiert nur auf Normalkraft und nicht auf Biegemomente gekapselte Ausf hrung m glich klassisches W g
114. nittstelle LPT1 Prinzipiell ist es auch m glich jede andere Verbindung zu verwenden nur sollte dann ein geeignetes Kabel zur Verf gung stehen Im Men punkt Messen k nnen mit Hilfe des Dialogfensters Ger teeinstellung Bild 84 die Einschubkarten angezeigt werden Vor der weiteren Konfiguration sollten die Karten anzeigt werden da genaue Angaben ber die einzelnen Karten gemacht werden Au erdem werden diese nur angezeigt wenn diese auch vorhanden und richtig verbunden sind Unter Kanaleinstellungen Bild 85 ist es m glich die verwendeten Sensoren den einzelnen Kan len zuzuweisen Wie aus dem Bild ersichtlich wurden vier Sensoren verwendet n mlich der C2 in DMS Vollbr cke als Vergleichssensor der KSY14 von Infineon der MLX 90251 von Melexis als am KMB appliziertes Hallelement bzw der 1 CX91 1 5 120 von HBM Weiter sollen nicht verwendete Kan le nach M glichkeit deaktiviert werden um st rende Einfl sse bei der Messung zu vermeiden Als weiterer Schritt der Konfiguration erfolgte die Aufnehmeranpassung Bild 86 bei welcher der Zusammenhang zwischen angezeigtem und gemessenen Wert d h die Skalierung festgelegt werden konnte Die Messzeit wurde mittels des Dialogfensters Einstellen periodischer Messungen gew hlt Erlaubt war es den Start und das Ende der Datenaufnahme einzustellen und die Anzahl der Abtastwerte pro Sekunde Gew hlt wurde je nach Bedarf eine Messdauer zwischen 1 und 5 Minuten Um nun das Messergebn
115. nnung 5 V 5 2 5 1 Me gr enaufnehmer DMS Vollbr cke Q 110 5000 Up 5V 60 5000 Ug 2 5V 30 5000 Ug 1V In Verbindung mit der AnschluBplatte AP 14 m 500 max DMS Viertelbriicke Zulassige Kabellange zwischen Aufnehmer und Verstarker Tragerfrequenz Verstarker Ne bereiche 0 1000 3 0600 Us 5V 0 2000 6 1200 Ug 2 5V 0 5000 15 3000 Us 1V 3 06 Ug 5V 6 12 Ug 2 5V 15 3 Ug 1V Nennwert fc idB 3dB Laufzeit Anstiegszeit U schw Br ckenabgleichbereich Me frequenzbereich Tiefpa mit Butterworth Charakteristik Hz Hz Hz ms ms 200 235 277 2 0 1 4 10 80 88 103 4 6 3 8 9 40 43 51 8 2 7 4 7 20 22 26 14 14 6 10 106 12 7 27 30 5 5 5 3 6 3 52 56 4 Tiefpa mit Bessel Charakteristik Nennwert fc idB 3dB Laufzeit Anstiegszeit U schw Hz Hz Hz ms ms 100 99 180 2 7 2 1 40 40 72 5 2 48 1 20 20 35 5 9 8 10 1 10 9 8 18 18 20 0 5 4 4 8 6 35 40 0 2 5 2 35 4 4 65 80 0 1 25 1 2 2 15 125 160 0 0 5 06 1 15 220 300 0 0 2 0 17 0 31 640 1100 0 0 1 0 087 0 155 1400 2200 A 0 05 0 042 0 08 3000 4600 0 Hochpa bei Tiefpa Bessel 5Hz oder Butterworth 10Hz Max zulassige Gleichtaktspannung 0 1 und 1 0 6V gt 50 0 600Hz 0 1 Gleichtaktunterdr ckung Maximale Differenzspannung DC Tr gerrestspannung 600Hz lt 0 3 1 lt 0 3 0 200Hz lt 0
116. ntersuchungen stellte sich heraus dass die Hysterese dieses KMB viel zu gro ist Dies ist dadurch zu erkl ren dass im Belastungsfall ein Verkippen des Kopfes auftritt und damit eine h here Reibung zwischen dem Kopf und dem Schenkel der H henverstellung bzw zwischen den beiden Schenkeln selbst entsteht Aus diesem Grund wurde der Bolzen nicht eingehender untersucht es wurde zu diesem Zeitpunkt die Entwicklung eines bidirektionalen Systems angestrebt W re der Sensor in Serienproduktion gegangen so w re nat rlich der Hallsensor in einem sch tzenden Geh use integriert worden Da diese Version die oben beschriebenen Nachteile aufweist wurde sie nicht weiter verfolgt Autor Roland Schaller 68 123 Diplomarbeit Gewichtssensor 4 4 Ringbolzen Version 4 0 Feder 1 Feder 2 Zug Druck Federn Hallelement Bild 52 MB Version 4 0 Ringbolzens bidirektional Au enteil Innenteil Der Ringbolzen besteht in seinem Aufbau aus einem Innenteil aus glasfaserverst rktem Kunststoff und einem Au enteil aus Stahl Der Innenteil tr gt die Messelektronik welche aus dem Hallsensor der Firma Melexis Typ 90251 AA rot und zwei Seltenerdemagneten gr n besteht Zur Funktionsweise des Bolzens ist zu sagen dass die Krafteinleitung ber eine der beiden halbkreisf rmigen Stahlfedern des Au enteils erfolgt wobei jeweils eine f r die Messung von Druck und die andere f r Zug verantwortlich ist Die Federn f r Zug und Druck sin
117. nur schwer zu erkennen und ein zus tzlicher Gurtkraftmesser erforderlich weil durch den Gurt eine zus tzliche Kraft wirkt Da sich die Autor Roland Schaller 10 123 Diplomarbeit Gewichtssensor Messelemente in der Sitzfl che befinden ist es nicht m glich ein Zur cklehnen und damit die Ver nderung des Gewichts der zu sch tzenden Person zu erkennen Insassenmatte Occupant Mat Nicht viel besser schneidet die Insassenmatte ab Zwar besitzt man bei dieser Anwendung jahrelange Erfahrung in der Verwendung und Positionierung der druckabh ngigen Widerstandselemente in der Sitzfl che doch k mpft man weiterhin mit den hnlichen Problemen wie bei der Bladder Man kommt ebenfalls um einen zus tzlichen Gurtkraftsensor nicht herum k mpft mit Umwelteinfl ssen wie Feuchtigkeit und Temperatur und hat die Langlebigkeit noch nicht wirklich im Griff Ein Nachteil gegen ber dem KMB ist darin zu sehen dass der Anschaffungspreis des Systems wesentlich h her liegt Wiederum ist es bei diesem System nicht m glich ein Zur cklehnen zu erkennen da ein Teil des Insassengewichts ber die R ckenlehne bygepasst wird Biegefeder Ein direkter Konkurrent zu den vorangegangenen Systemen ist das seit Jahren erprobte und in anderen Formen auf dem Markt befindliche System der Biegefeder Hier wird durch das Gewicht der zu sch tzenden Person eine Metallfeder gedehnt und diese Verbiegung mittels Dehnmessstreifen DMS erfasst Pro
118. onierenden Temperaturkompensation 2 3 4 Verwendete DMS Sensor Zwei Arten von Dehnungsmessstreifen sind hier erw hnt Die Gruppe der Halbleiter DMS die aufgrund ihrer schweren Applizierbarkeit im Rahmen der Diplomarbeit nicht zum Einsatz kommen und die Gruppe der folienbasierenden wie zum Beispiel der im folgenden beschriebene HBM 1 XY91 1 5 120 Verwendet wurde ein Dehnungsmessstreifen der Firma Hottinger Baldwin Messtechnik vom Typ 1 XY91 1 5 120 Es handelt sich dabei um einen Universal DMS f r die Spannungsanalyse der eine leichte Handhabung und sehr flexible Einsatzgebiete erlaubt und in vielen Geometrien verf gbar ist Es handelt sich dabei um einen Folien DMS mit eingebettetem Messgitter aus Konstantanfolie deren Dicke je nach verwendetem DMS im Bereich zwischen 3 8 oder 5 um liegt Seine Seitenl ngen betragen 6 2 bzw 7 9 mm Das Tr germaterial besteht aus Polyamid und die Anschl sse sind aus nickelplattiertem Kupferb ndern Die maximale zul ssige Br ckenspeisespannung betr gt 3 5 Volt Der Nennwiderstand des DMS betr gt 120 Ohm bei einer Widerstandstoleranz von 0 35 Ohm Der Vorteil bei der Wahl des Widerstandswertes in dieser Gr fsenordnung liegt in der Unempfindlichkeit Autor Roland Schaller 28 123 Diplomarbeit Gewichtssensor gegen ber Schwankungen des Isolationswiderstandes z B durch Einwirkung von Feuchtigkeit Hoherohmige DMS erzeugen weniger Eigenw rme aufgrund des kleineren Messstroms und sind u
119. pannung obwohl es zu einer st rkeren Belastung kommt Um auch gr ere Kr fte messen zu k nnen m ssten die Federn einen st rkeren Querschnitt aufweisen bzw ein steiferes Material verwendet werden Aus der Abbildung ist auch zu entnehmen dass die beiden Steigungen der Regressionsgeraden nicht gleich sind was bedeutet dass die Empfindlichkeit der beiden Messfedern unterschiedlich ist Der Grund ist in den unterschiedlichen Fertigungstoleranzen zu suchen Dies zeigt die Problematik dieses Konzepts n mlich dass Fertigungsgenauigkeiten direkt in das Messergebnis mit ein flie en Besser w re es also nur ein Messelement f r Druck und Zug zu haben Au erdem ist bei dem gefertigten Prototyp weiter nicht auszuschlie en dass das Hallelement beim Einbringen des Innenteils in seiner Lage beeinflusst wird Dies w rde wieder zu einer unterschiedlichen Aussteuerung f hren Diese Vermutung wurde aber im einzelnen nicht n her untersucht da sonst der KMB mit bildgebenden Methoden wie R ntgendurchleuchtung n her untersucht werden h tte m ssen Auf Grund der viel zu hohen Hysterese war man an der Feststellung dieses Einflusses nicht mehr interessiert Autor Roland Schaller 70 123 Diplomarbeit Gewichtssensor 4 4 2 Ansprechen des berlastschutzes Hallspannung mV Kraft N Bild 54 Belastungskennlinie f r mehrfache Belastung KMB Version 4 0 In diesem Bild sind d
120. r Abnahme der Empfindlichkeit bei 1P und 2P Auflage f r zunehmende Winkel Man sieht dass die Art der Bolzenaufnahme einen Einfluss auf die Empfindlichkeit hat und daher die 2P Auflage aufgrund der hoheren Empfindlichkeit zu bevorzugen ist Empfindlichkeit der 1P Auflage bei 5 Grad betr gt 96 8 bei 10 Grad 93 8 Empfindlichkeit der 2P Auflage bei 5 Grad betr gt 99 8 bei 10 Grad 96 8 Dass hei t dass mit der 2P Auflage eine Abnahme der Empfindlichkeit von nur 3 2 bis 10 Grad gew hrleistet werden kann im Gegensatz zur 1P Auflage bei der dieser Wert 6 2 betr gt Der Vergleich zeigt dass die Empfindlichkeit bei 1P Aufnahme in diesem relevanten Bereich doppelt so stark abnimmt Ab ca 20 Grad nehmen die Empfindlichkeiten konstant ab wobei die 2P Auflage immer noch eine geringere Abnahme aufweist was einen kleinen Vorteil bedeutet Wichtig war das Wissen ber die Abnahme der Empfindlichkeit in die Konstruktion des Sitzes einflie en zu lassen Stellt man sich z B eine Verdrehung von 50 Grad vor so w rde laut Diagramm eine einwirkende Kraft nur mehr halb als halb so gro erkannt werden Als Zahlenbeispiel ausgef hrt h tte eine 50 kg schwere Frau dann nur mehr ca 25 kg Ergebnis aus diesen Untersuchungen ist dass eine Sicherung das Verdrehung des KMB zur Horizontalen verhindert muss Nur durch das Anheben des Sitzes und seine gleichzeitige Bewegung nach vorne und die Ungenauigkeiten in der Ausf hrung der Verdrehsicherungen
121. r Diplomarbeit beitrug Dar ber hinaus war es auch m glich diverse private Vergn gungen wie Rad fahren grillen etc mit Ihm zu erleben Herrn Dipl Ing Dr techn Ass Prof Bernd Eichberger f r die bernahme der Betreuung seitens der Technischen Universit t Graz Allen Kollegen der Abteilung FV FLM die mir bei den anf nglich vielen Fragen immer mit Rat und Tat zur Verf gung standen besonders Herrn Kiefer f r diverse Vorarbeiten vor meinem Eintritt bei Robert Bosch GmbH und seinem unfangreichen Wissen Herrn Walz der mir mit viel Erfahrung bei der Planung dem Entwurf und Konstruktionen der Prototypen zur Seite stand und sie dann mit ungeheurem Geschick und Pr zision umsetzte Herrn Wolf aus der Abteilung FV FLP der immer wieder neue Anregungen in die Entwicklung mit einflie en lies und bei vielen internen organisatorischen T tigkeiten weiterhalf Und den lieben anderen Kollegen wie Herrn Bollweber Gerlach Zabler Frau Rosenberger die wesentlich zum angenehmen Arbeitsklima in der Abteilung beitrugen Autor Roland Schaller 3 123 Diplomarbeit Gewichtssensor INHALTSVERZEICHNIS 1 EINLEITUNG 7 1 1 Systemgrundlagen der Gewichtserkennung im Zusammenhang mit der Airbagausl sung 1 2 L sungsvorschl ge zur Gefahrenreduktion bei Airbagentfaltung 1 3 Einf hrung in die Gewichtssensierung 1 3 1 Historie der Kraftmessbolzen 1 3 2 Einbaubedingungen 1 3 3 Verwendete Testmethoden 1 3 4 Pflichtenhef
122. r relativ gesch tzten Stelle im unteren Bereich des Sitzes Die Anbindung des Gurtes an den Sitz erfolgt im gegenw rtigen Moment mit einer Schraube Daraus resultiert eine weitere St rke dieser Kraftmessmethode die darin liegt dass die Gurtkraftsensierung ebenfalls mittels eines KMB durchgef hrt werden kann Es kommen bei den hier vorliegenden Untersuchungen zwei Verfahren zum Einsatz mit Hilfe derer das Gewicht bestimmt werden kann Diese sind der Einsatz von Dehnungsmessstreifen DMS oder Hallsensoren deren Funktionsweisen im Weiteren noch n her ausgef hrt werden Der Sensor liefert permanent eine analoge Ausgangsspannung die kontinuierlich von der Auswerteelektronik aufbereitet wird Das Gewicht des Passagiers wird kontinuierlich ermittelt Ein weiterer Vorzug ist dass durch geeignete konstruktive Ma nahmen eine bidirektionale Messung m glicht ist Diese Konstruktion ergab sich erst im Laufe der Diplomarbeit da zuerst einige unidirektionale Versionen erprobt wurden W hrend der engen Zusammenarbeit mit den interessierten Firmen kristallisierte sich die Forderung nach einem bidirektionalem KMB heraus Bidirektionale Kraftmessung bedeutet dass der Sensor in der Lage ist sowohl Druck als auch Zugbelastung zu messen Dies ist deshalb wichtig weil entsprechend der Sitzposition des Fahrgastes beide Belastungsf lle Autor Roland Schaller 12 123 Diplomarbeit Gewichtssensor auftreten k nnen Bei normalem Sitzen werden die vier auf
123. racht Verbaut wurde der DMS von HBM Typ 1 XY91 1 5 120 und der Hallsensor KSY 14 von Infineon Wird nun das Teil mit wie im Bild dargestellten Kr ften belastet dann n hern sich die rot bzw gr n hervorgehobenen Schenkel einander Dies f hrt zu einer messbaren Dehnung im Kopfbereich bzw zu einer nderung der Feldst rke im Hallelement und damit einer Generierung eines Ausgangsignals Fazit Bei der Version 1 0 die vor Beginn meiner Arbeit bei Bosch konstruiert gefertigt best ckt und vermessen wurde zeigte sich der Nachteil dass es durch das Fixieren des Bolzens mittels Sicherungsschraube zu einer Beeinflussung der Ausgangsspannung und somit des Messergebnisses kommt Erkl rbar ist dies durch die Konstruktion des KMB Wird nun die Sicherungsmutter aufgebracht so dr ckt diese die beiden Schenkel zusammen Durch diese Bewegung n hert sich der Magnet dem Hallsensor und somit entsteht ein unerw nschter Offset der Hallspannung bzw kommt es zur Entstehung einer mechanischen Spannung im Kopfbereich die wiederum als Widerstands nderung des DMS mit einer Wheatstone schen Br cke abgegriffen werden kann Ansonsten zeigte der Sensor eine relativ gute Linearit t Die Vorteile dieses Bolzens liegen in der Kompaktheit die keine Ver nderung der Sitzkonstruktion erfordert Weiter ist das Bauteil relativ einfach zu fertigen Denkbar w re dass in der Endproduktion der Messk rper kaltgepresst werden k nnte Autor Roland Schaller 50 123
124. rsion 5 0 Einzelteile Bild 76 KMB Version 5 0 zusammengesetzt Bild 80 Blockschaltbild Analogkarte Bild 81 Anschluss der Halbbr cke an die Analogkarte Bild 82 Aufbau der Analogkarte Bild 83 Schnittstellenauswahl Bild 84 Ger teeinstellungen Bild 85 Kanaleinstellungen Bild 86 Aufnehmeranpassung Bild 87 Einstellung der Messzeit Bild 88 Konfigurationsfenster in MAX Bild 89 Analog Input Konfigurationsfenster in MAX Bild 90 Konfigurationsfenster des DMS in MAX Bild 91 Testfenster Bild 92 Functionpanel Bild 93 Topfbolzen KMB Version 5 0 Au enteil Bild 94 Topfbolzen KMB Version 5 0 Innenteil Bild 95 Ringmessbolzen KMB Version 4 0 Au enteil Bild 96 Ringmessbolzen KMB Version 4 0 Innenteil Bild 97 KMB Version 3 0 Bild 98 KMB Version 2 0 Autor Roland Schaller 94 123 Diplomarbeit Gewichtssensor 9 Quellenverzeichnis Im Quellenverzeichnis sind die Quellen der bernommnen Abbildungen Textauszuge und Materialkonstanten angegeben NI User Manual SC 2043 SG 1995 1996 www infineon com products sensors www melexis com Tl Databook Linear Circuits Operational Amplifiers Autor Roland Schaller 95 123 Diplomarbeit Gewichtssensor 10 Literaturverzeichnis Bei der Erstellung der Diplomarbeit wurden neben Datenb chern und Skripten folgende Literatur verwendet Keil S Beanspruchungsermittlung mit Dehnungsmessstreifen CUNEUS Verlag 1995 Jamal R Pichlik H Lab View Programmiersprache der v
125. ruht auf dem Prinzip dass Elektronen die durch einen Halbleiter flie en von der Kraft eines magnetischen Feldes abgelenkt werden Wird ein d nnes Halbleiterpl ttchen von einem konstanten Gleichstrom I durchflossen so verteilt sich dieser gleichm ig ber den gesamten Querschnitt des Pl ttchens Wird der Halbleiter einem senkrecht zur Platte stehenden Magnetfeld ausgesetzt so werden die Elektronen im Inneren durch die sogenannte Lorentzkraft abgelenkt An den seitlichen Randzonen entsteht somit ein Elektronen berschuss bzw mangel Ist das Pl ttchen nun seitlich kontaktiert so kommt es an den Sensoranschl ssen aufgrund der ungleichen Verteilung der Elektronen zu einer Spannungsdifferenz Diese erw nschte elektrische Gr e wird als Hallspannung bezeichnet und erlaubt nun das magnetische Feld als eine aquivalente elektrische Gr e zu interpretieren Verdeutlicht wird dies in nachstehender Abbildung Te Il Bild 10 Hallsensor homogener und inhomogener Elektronenfluss durch das Halbleiterpl ttchen und geometrische Anordnung Die H he der Hallspannung U ist von verschiedenen Gr en abh ngig Die wichtigste ist nat rlich die proportionale Spannungsabh ngigkeit zum magnetischen Feld Im weiteren h ngt die Hallspannung von der Stromst rke I der Plattchendicke und vom Halbleitermaterial ab Die Hallspannung kann durch folgende mathematische Gleichung beschreiben werden I B Up Ru Gl
126. s 5 2 1 Das Messelement Links ist das Messelement im nicht zusammengebauten Zustand abgebildet Es handelt sich dabei um einen modifizierten KMB der Version 5 0 Zu sehen sind das Messelement aus Aluminium welches einem Doppelbiegebalken gleicht und der Topf aus Plexiglas mit Magnet Dieser weist einen sogenannten Bajonettverschluss auf der die Montage des Elements erlaubt So wird der Sensor durch eine dem Bajonettverschluss ahnliche elliptische ffnung eingef hrt und dann um 90 Grad verdreht was eine Arretierung des Sensors erlaubt Bild 68 Messelement Diese Konstruktion war n tig um Reibung zwischen den beiden Schenkeln aus Plexiglas bzw in der Sitzkonstruktion zu vermeiden da diese das Messergebnis negativ beeinflussen w rde Da der reale KMB im Normalfall in einem Bereich bis ca 50 kg misst wurde das messende Element beim Demonstrator um das zehnfache empfindlicher ausgelegt So erlaubt es Kr fte bis ca 5 kg zu ermitteln Dies konnte relativ einfach realisiert werden in dem die Stegbreite d der Balken des KMB Innenteils bis zu einer Dicke von 0 5 mm deutlich vermindert wurde Zus tzlich wurde auch noch Aluminium anstatt Edelstahl verwendet da dies eine wesentlich geringere Steifigkeit aufweist und ebenfalls nicht magnetisch ist Ein nicht magnetischer j Werkstoff ist unerl sslich da es sonst zu einem magnetischen Kurzschluss im Inneren kommen w rde was eine wesentliche Verkleinerung des Ausgangssignals de
127. s Hallsensors bewirken w rde Der Au enteil des Sensors wurde aus Plexiglas gefertigt und poliert damit ein Beobachten des Messelements w hrend eines Belastungszyklus m glich ist Sehr interessant ist der Fall des berlastschutzes in dem sich die Glocke am Innenteil anlegt Bild 69 Detailansicht des Demonstrators Autor Roland Schaller 85 123 Diplomarbeit Gewichtssensor 5 2 2 Der Demonstrator Die Funktionsweise des Demonstrators ist hnlich einer Waage Er besteht aus zwei Aluminiumscheiben wobei eine als Stativ und die andere der Gewichtsaufnahme dient Die beiden Teile sind farblich hervorgehoben An den beiden Teilen sind Rechteckprofile angebracht welche der Krafteinleitung in den Sensor dienen Diese beiden Teile sind aus Plexiglas gefertigt um den Blick auf den KMB und damit die repr sentative Wirkung nicht einzuschr nken Um die Bidirektionalit t des Sensors zu zeigen kann der Demonstrator wie eine Waage mit Gewichten belastet oder wie ein Expander auseinandergezogen werden Wirkt nun auf die Oberseite eine Gewichtskraft so kann ihre Bild 70 Demonstator f r die Funktionsweise Gr e mit Hilfe der Messelektronik und der verwendeten Software Lab View in eine Zahl umgewandelt und auf einem Display angezeigt werden Getestet wurde in dem ein bekanntes Gewicht aufgelegt wurde und der Skalierungsfaktor solange ver ndert wurde bis Anzeige und Wert des Gewichtes berstimmten Danach ergab sic
128. s werden immer neue messtechnische Aufgabenstellungen aus den verschiedenen Fertigungsbereichen an die Abteilung herangetragen Eine typische Aufgabe aus dem Bereich der Vorausentwicklung ist die Gewichtserkennung 1 1 Systemgrundlagen der Gewichtserkennung im Zusammenhang mit der Airbagausl sung Das Airbagsystem urspr nglich gedacht um Leben zu retten ist nun seit mehr als zwanzig Jahren im Einsatz Nicht unbetr chtlich ist die Zahl der F lle in denen der sogenannte Lebensretter genau das Gegenteil dessen macht f r was er eigentlich konzipiert wurde Laut internen Mitteilungen von Daimler Chrysler kamen bis November 1999 auf 6377 durch den Airbag gesch tzte KFZ Insassen 98 Kinder und 7 Erwachsene auf der Beifahrerseite und 63 Erwachsene auf der Fahrerseite die get tet wurden Den meisten Autofahrern und Passagieren ist das hohe Gefahrenpotential das von diesen Schutzeinrichtungen ausgeht nicht bewusst In den Werbefilmen der Kraftfahrzeughersteller wird das Ausl sen der Airbags immer in extremer Zeitlupe dargestellt Diese verzerrte Darstellung l sst den Trugschluss zu dass sich die Luftkissen langsam wie Schmusekissen entfalten Man denke an eine Werbung in der sich ein weiblicher Dummy im Bikini auf sechs Airbags sonnt Tats chlich werden diese Pralls cke aber in 20 bis 30 Millisekunden mit ungeheuerlicher Wucht und ohrenbet ubendem L rm aufgeblasen um ihre volle Schutzwirkung zu entfalten Dies f hrt dazu dass die zu sch
129. s schwierig realisierbar Fu esatzl a I Le har Grauharai UJUE I gev ichtsmessende Systeme durch Kraftnebenschl sse Graubereich 1 ca 26 38kg 10kg ch ca 32 38kg SCH E gu Aktivierungsz Festlegung der Ers n be 46 7 bis 51 3kq ca 33 38kg 15 5 kg D a 10 15 20 25 30 35 40 45 50 kg Bild 2 Insassensensierung Spezifikation des Alters Gr e und Gewichts 5 der Fahrerinnen sitzen relativ nahe am Steuer und manche sogar im gef hrlichen Anschlussbereich m ssen also durch ein Sicherheitssystem gesch tzt werden In die berlegungen f r die Konzipierung dieses Systems sollen auch die F lle von Miss Use und Out Of Position einflie en bei denen es zu keinem oder zu sanftem Ausl sen des Airbags kommen soll Low Risk Deployment hei t das Schl sselwort f r die sanfte Aktivierung Diese erlaubt im Gegensatz zu einer konventionellen Airbagauslosung eine gr ere Grauzone Aus dem Englischen direkt bersetzt bedeutet das Ausl sen mit niedrigem Risiko Realisiert ist dies vor allem durch Autor Roland Schaller 9 123 Diplomarbeit Gewichtssensor mehrstufig auslosende Airbagsysteme Eine weitere Mafl snahme die Gef hrdung f r die Fahrzeuginsassen ZU minimieren bietet die optische bzw Ultraschall berwachung der Fahrgastzelle in Bild 3 Bild 3 Innenraum berwachung mit optischen Methoden Erprobt werden Kamerasysteme welche die Sitzposition des Ins
130. selektiv messen zu k nnen Dabei wurde unter anderem aufgezeigt wie der KMB prinzipiell beschaffen sein muss dass durch eine geeignete Konstruktion m glichst wenige parasit re Einfl sse durch diesen selbst und die Sitzkonstruktion ins Messergebnis mit ein flie en Neben der erfolgreichen Bearbeitung des gestellten Themas war es mir m glich meine pers nlichen Fachkenntnisse um viele interessante Erfahrungen zu erg nzen Durch die breit angelegte Aufgabenstellung konnte ich meine w hrend des Studiums erworbenen theoretischen Kenntnisse um praktisches Wissen besonders im Bereich der Messtechnik erg nzen Interessant war der Entwurf und die Planung der einzelnen Versionen der KMB sowie die anschlie ende Komplettierung Vermessung und die Aufbereitung des erworbenen Wissens in Form der Diplomarbeit oder Pr sentationen f r diverse Besprechungen und Berichte Das interdisziplin r ausgerichtete Studium an der TU Graz war mir dabei eine gro e Hilfe Autor Roland Schaller 88 123 Diplomarbeit Gewichtssensor Ausblick Als gr te Herausforderung sehe ich die Weiterentwicklung des Kraftmessbolzens der Version 5 0 bis zur Serienreife Zwei Probleme sind zu beheben e Gleiche Abnahme der Empfindlichkeit f r Druck und Zug e Einbringung von Magneten und Hall IC Ein m glicher gangbarer Weg zur Generierung des Messsignals w re das Reluktanzverfahren Dieses beruht darauf dass sich durch die Bewegung des Topfes der Widerstand des
131. stellung 4 2 4 Untersuchung der vermuteten Haftreibungseinfl sse 4 2 5 Dynamische Messungen 4 3 KMB der Version 3 0 4 4 Ringbolzen Version 4 0 4 4 1 Reproduzierbarkeit 4 4 2 Ansprechen des berlastschutzes 4 4 3 Abnahme der Empfindlichkeit 4 5 Topfbolzen Version 5 0 4 5 1 Reproduzierbarkeit 4 5 2 Ansprechen des berlastschutzes 4 5 3 Abnahme der Empfindlichkeit 4 5 4 Einfluss der Sitzh henverstellung 5 DER DEMONSTRATOR 5 1 Sitzdemonstrator 5 2 Demonstrator des Messprinzips 5 2 1 Das Messelement 5 2 2 Der Demonstrator Autor Roland Schaller 44 44 45 46 46 47 49 49 49 50 50 51 32 Sie 58 64 65 68 69 70 71 72 74 Ta 71 78 80 84 84 85 85 86 5 123 Diplomarbeit Gewichtssensor 6 ERGEBNIS UND AUSBLICK 88 7 VERWENDETET PHYSIKALISCHE SYMBOLE 92 8 ABBILDUNGSVERZEICHNIS 93 9 QUELLENVERZEICHNIS 95 10 LITERATURVERZEICHNIS 96 11 ANHANG 97 11 1 Pflichtenheft 97 11 2 Hardware 101 11 3 Software 103 11 4 Ausz ge aus den Datenbl ttern 109 11 5 Konstruktionszeichnungen der einzelnen Prototypen 117 11 5 Konstruktionszeichnungen der einzelnen Prototypen 118 Autor Roland Schaller 6 123 Diplomarbeit Gewichtssensor 1 Einleitung Die Abteilung FV FLM der Robert Bosch GmbH die zur Forschung und Vorausentwicklung geh rt besch ftigt sich unter anderem mit Sensorentwicklung Fertigungs und Qualit tsmesstechnik Im Rahmen dieses Besch ftigungsfelde
132. t beeinflussen kann Dargestellt wurden bei der Auswertung dann der zeitliche Verlauf der einzelnen Signale und das Gesamtgewicht Dies soll im sp teren den Unterschied in der Variation der Amplitude der Ausgangssignals bei verschiedenen Stra enbel gen verdeutlichen Da sich die Sitzkonstruktion mitsamt den aufgelegten Gewichten wie ein Feder Masse System verh lt wurde im weiteren eine Frequenzanalyse mit dem Programm MATHCAD durchgef hrt Es wurden die Daten aus dem Zeitbereich mittels einer FFT Fast Fourier Transformation im Frequenzbereich dargestellt Daraus soll dann die Eigenfrequenz des Systems ermittelt werden Da sich mit variierendem Gewicht auch die Eigenfrequenz des Systems ndert wurden Versuche unternommen um abzukl ren ob mittels Frequenzanalyse auch das Gewicht gemessen werden kann 3 3 2 Messaufbau Wie in 3 2 3 beschrieben Die Messschaltung wurde im Auto verwendet Autor Roland Schaller 49 123 Diplomarbeit Gewichtssensor 4 Messergebnisse 4 1 KMB der Version 1 0 Hallelement Bild 33 KMB Version 1 0 unidirektional Im Bild 33 ist der Sensor der Version 1 0 dargestellt Das unidirektionale Funktionsprinzip ist relativ trivial es handelt sich um eine Schraube die in der Mitte geschlitzt ist Diese Konstruktion erlaubt einen hinreichenden berlastschutz im Crashfall Im Kopfbereich ist ein DMS aufgeklebt bzw an der anderen Seite der Schraube ein Hallelement und gegen berliegend ein Magnet angeb
133. t des Kraftmessbolzens 2 GRUNDLAGEN DER KRAFTMESSTECHNIK 2 1 Einleitung 2 2 Funktionsweise des Hallsensors 2 2 1 Verwendete Hallsensoren 2 3 Funktionsweise des Dehnungsmessstreifen DMS 2 3 1 Anwendung 2 3 2 Wheatstone sche Br ckenschaltung 2 3 3 Temperaturkompensation 2 3 4 Verwendete DMS Sensor 2 4 Weiterverarbeitung der KMB Signale 2 4 1 Allgemeines 2 4 2 Komponenten des Insassensicherheitssystems 2 4 3 Aufbau eines kombinierten Steuerger tes 2 4 4 Datenverarbeitung 2 4 5 Daten bertragung zu anderen Systemen 3 UNTERSUCHUNGSMETHODEN 3 1 Krafteinleitung und Lage des Kraftmessbolzens im System 3 1 1 Reproduzierbarkeit Abnahme der Empfindlichkeit 3 1 2 Messaufbau 3 1 3 Verwendete Messger te Einrichtungen 3 1 4 Diverse Einstellungen an den Messger ten Autor Roland Schaller 7 8 19 19 20 21 24 24 25 27 28 29 29 30 31 32 33 36 36 36 39 40 41 4 123 Diplomarbeit Gewichtssensor 3 2 Einflusses der Sitzkonstruktion auf den KMB 3 2 1 Einfluss der Sitzh henverstellung 3 2 2 Einfluss der Haftreibung auf den KMB 3 2 3 Messaufbau 3 2 4 Messger te Einrichtungen 3 2 5 MAX Measurement and Automation Tool 3 3 Dynamische Messungen 3 3 1 Versuchsbeschreibung 3 3 2 Messaufbau 4 MESSERGEBNISSE 4 1 KMB der Version 1 0 4 2 Der Kraftmessbolzen Version 2 0 4 2 1 Reproduzierbarkeit 4 2 2 Abnahme der Empfindlichkeit 4 2 3 Einfluss der Sitzh henver
134. theit Lebensdauer Unempfindlichkeit gegen Umwelteinfl sse Robustheit und dem automatischen berlastschutz im Crashfall Durch die variable Konzeption des Kraftmessbolzens ist eine Anpassung an viele Anforderungen der Kraftmesstechnik in einem H chstmass gegeben Durch den implementierten Hallsensor der Firma Melexis ist eine komfortable Abstimmung an verschiedene Einsatzgebiete und somit eine Gewichtsklassifizierung in w hlbaren Grenzen m glich Unterstrichen wird dies durch die bei Bosch durchgef hrten Simulationen und Messungen anhand zweier mit Prototypen best ckten Demonstratoren Aufgrund der Brisanz der Thematik stand man in st ndigen Verhandlungen mit diversen Automobil bzw Sitzherstellern Als weiteres wichtiges Ergebnis liegen neue Erkenntnisse sowohl in theoretischer wie auch messtechnischer Form ber die Eigenschaften des Messverfahrens vor Der bei der Simulation gewonnene berblick ber das Verhalten des Magnetkreises erleichtern in Zukunft die Konstruktion neuer Messsysteme Auch der w hrend der Diplomarbeit untersuchte Zusammenhang zwischen den einwirkenden Kr ften und deren Auswirkungen auf den Kraftmessbolzen k nnen in Zukunft helfen noch intelligentere Kraftmesssysteme hervorzubringen Durch die Betrachtung der gesamten Messkette konnten die einzelnen Komponenten analysiert werden die zur Signalgenerierung beitrugen Damit war es m glich Bedingungen zu definieren um die zu klassifizierenden Personen m glichst
135. tung Richtwerte f r die zul ssige Schwingbeschleunigung am Erzeugnis sind Beschleunigungswerte Apcge S 300 m s darin enthalten a Schock Beschleunigungswerte Amax lt 200 m s 30 m s halbsinus formig mit 11 ms 1 ms Dauer in allen drei Richtungen positiv und negativ b stochastische Schwingungen Arms lt 33 m s im Frequenzbereich 10 Hz bis 1000 Hz ber 2 Stunden in allen drei Richtungen positiv und negat v Der freie Fall von 1 m H he muss au er Betrieb berstanden werden Dynamik der Gewichts nderung Die maximale Dauerlast auf einem Sitz betr gt W Dauer max 180 kg die kurzzeitige Uberlast erzeugt durch Fahrzeug oder stra enbedingte Beschleunigungen auf den Passagier kann bis zu Wspitze max 360 kg anwachsen Die nderungen der vier Einzelgewichte w hrend der Fahrt werden bei der Messung durch zeitliche Mittelung t 0 1 s begrenzt und sollten bei der Berechnung des Gesamtgewichts W beim Messpunkt von ca 39 kg nur zu kleinen Variationen von max mal 3 f hren Der n der Auswertung implementierte Beobachter wird das Gesamtgewicht unter Ber cksichtigung von Plausibilit tskriterien ca alle 5 s neu ausgeben Temperaturbelastung Gem dem Temperaturbereich im Fahrgastraum muss der Sensor von 30 C bis 85 C im Dauerbetrieb arbeiten Er muss Temperaturen von 40 C bis 90 C ohne Funktion aushalten ohne zerst rt zu werden Feuchtigkeitsbelastung Die Funktion des Sensors darf
136. tzmittelaktivierung steht die Sensierungs und Ausl seelektronik im Steuerger t Ein wichtiges Kriterium bei der Ermittlung des Ausl sezeitpunkts ist die maximal zul ssige Insassenvorlagerung Dies ist der maximale Weg um den sich die Fahrzeuginsassen nach dem Aufprall vorw rtsbewegen d rfen bevor sie der entfaltete Airbag auff ngt Ein typischer Wert daf r ist 12 cm Bei einem Frontalaufprall mit 50 km h erreicht man ihn nach 40 ms Dann muss der Airbag aufgeblasen sein Seine Entfaltung dauert ungef hr 30 ms wodurch dem Ausl seger t eine Zeit von ca 10 ms zur Verf gung steht um die Crash Auswertung durchzuf hren und den Z ndimpuls zu generieren Um h chste Sicherheit zu erreichen wertet das Ausl seger t zus tzlich zur Informationen des mikromechanischen Beschleunigungs Hauptsensors das Signal eines weiteren mechanischen oder elektronischen Beschleunigungsaufnehmers aus St rungen durch elektromagnetische Felder oder Sensordefekte sind damit jederzeit erkennbar Zus tzlich muss der Aufprall bewertet werden so dass ungewollte Ausl sung vermieden werden kann Ein Hammerschlag in der Werkstatt leichte St e oder Fahrten ber Bordsteinkanten oder Schlagl cher d rfen zu keiner Aktivierung des R ckhaltesystems f hren Die Sensorsignale werden dazu in digitalen Auswertealgorithmen verarbeitet deren Empfindlichkeitsparameter mit Hilfe von Crashdaten optimiert werden Steuerger te sind mit einer Selbst berwachung ausgestattet
137. uktion Diese resultiert einerseits durch den zur H henverstellung verwendeten Torsionsstab bzw durch den Einbauvorgang selber oder durch ein Verspannen in den jeweiligen H henstellungspositionen des Sitzes Weiter ist noch die zu erwartende Tendenz erkennbar dass die Sensoren an der Front bzw R ckseite des Sitzes den gleichen Amplitudengang aufweisen Das Autor Roland Schaller 66 123 Diplomarbeit Gewichtssensor bedeutet dass die KMB stets gemeinsam entweder in die positive oder negative Richtung ausgesteuert werden Wie aus den obigen Kurven hervorgeht sieht man dass die Summe der Ausgangsspannungen immer im Bereich um 250 mV liegt Die Gr e der Spannung k nnte nach Auflage eines bekannten Gewichtes nat rlich auch in Kilogramm kalibriert werden was aber f r die obigen Schlussfolgerungen nicht erheblich ist Bei der Wiederholung dieser Untersuchungen mit Hilfe der endg ltigen Version des KMB und nach dem Eliminieren der durch die Vorarbeit erkannten Ursachen und Einfl ssen wird der Messfehler wesentlich verringern sein Autor Roland Schaller 67 123 Diplomarbeit Gewichtssensor 4 3 KMB der Version 3 0 Hallelement ds Bild 51 KMB Version 3 0 unidirektional Oben ist der weiterentwickelte Prototyp der Version 2 0 abgebildet Es handelt sich um ein unidirektionales Messsystem Er bietet den Vorteil dass er nur wenig gr er ist als die urspr nglich zur Verbindung der beiden Schenkel der Sitzkonstruktion
138. ungen k nnen z B mit Dehnungsmessstreifen die auf das Messteil aufgebracht werden in eine Widerstands nderung umgewandelt werden Beim Topfbolzen ist augenscheinlich dass es im mittleren Bereich des Doppelbiegebalkens zu einer mechanischen Verformung kommt die sich in der Verengung des Luftspaltes wiederspiegelt Es gibt viele L sungsans tze um diese Abstandsver nderung zu messen Die wichtigsten seien an dieser Stelle erw hnt Prinzipiell kann man Abstand optisch mit Wirbelstromsensoren Dehnungsmessstreifen oder mittels Hallelementen messen Da es bei den optischen L sungen Nachteile durch Verschmutzung Langlebigkeit Baugr e und Preis gibt sind diese Anwendung zur Realisierung eines kompakten KMB nicht geeignet Beim Messen mit Wirbelstromverfahren ergeben sich folgende Probleme Der Zusammenhang zwischen der durch die einwirkende Kraft verursachten Abstands nderung und dem Ausgangssignal ist nicht linear Das System ist gegen ber Hallelement bzw DMS zu gro und zu teuer Weiter gibt es Probleme mit der elektromagnetischen Vertr glichkeit im KFZ und Sensor und Elektronik sind nicht integrierbar Au erdem ist ein Nullabgleich nur schwer m glich Aus diesen Gr nden wurden Hallelement und DMS f r die Realisierung des KMB in Betracht gezogen Autor Roland Schaller 19 123 Diplomarbeit Gewichtssensor 2 2 Funktionsweise des Hallsensors Entdeckt wurde der Halleffekt vom Physiker Edwin Hall im Jahre 1879 Dieser Effekt be
139. us der Grundgleichung der Br ckenschaltung kann man erkennen dass sich gleichsinnige Widerstands nderungen in benachbarten Br ckenzweigen aufheben und in gegen berliegenden addieren Diese Eigenschaft wirkt sich besonders nutzbringend auf die Kompensation von temperaturbedingten Einfl ssen aus Wird z B eine Vollbr cke die aus vier DMS mit gleichem Temperaturgang besteht einer Temperatur nderung unterworfen so wird diese in jedem Dehnungsmessstreifen die gleiche Widerstands nderung scheinbare Dehnung hervorrufen Daraus resultiert aber dass dies keine nderung des Ausgangssignals zur Folge hat Der Einfluss der Temperaturkompensation ist in Bild 16 noch einmal dargestellt Autor Roland Schaller 27 123 Diplomarbeit Gewichtssensor Bild 16 Einfluss der Temperatur Im Fall a kommt es zu einer Verstimmung der Br cke durch eine Dehnung e des DMS Dadurch erh ht sich die Ausgangsspannung proportional zur Dehnung e und ist als Ausschlag am Zeigerinstrument ablesbar In b wirken sowohl eine mechanische Kraft als auch eine Temperatur nderung auf einen DMS ein Deshalb kommt es durch beide Gr en zu einer Vergr erung der Spannung Fall c ist hnlich dem Fall b nur dass der Einfluss der Temperatur an beiden DMS angreift und sich die Anteile letztlich kompensieren Es ist nur der Teil der Ausgangsspannung messbar welcher durch die Dehnung verursacht wurde Dieser Fall verdeutlicht also die Notwendigkeit einer funkti
140. ximal auftretende Unterschied zwischen der Kurve des Hoch und des Runterfahrens ungef hr 80 mV betr gt also ungef hr 30 der maximalen Ausgangsspannung der DMS Dieser Wert ist nicht akzeptabel und muss durch weitere konstruktive und messtechnische Ma nahmen eliminiert werden Autor Roland Schaller 63 123 Diplomarbeit Gewichtssensor 4 2 4 Untersuchung der vermuteten Haftreibungseinfl sse F und 1P F und 2P Hysterese bezogen auf 500N 0 10 20 30 40 50 60 70 Winkel Grad Bild 47 Hysterese in bezogen auf 500N f r 1P und 2P Aufnahme ermittelt f r 250N f r KMB Version 2 0 Bild 47 zeigt das Verhalten der Gr e der Hysterese bezogen auf den Messbereich SOON f r 1P und 2P Aufnahme und die einwirkende Kraft F Berechnet wurden die Werte f r die einzelnen Winkelstellungen und den Wert 250N welcher die Mitte des Messbereiches repr sentiert Es ist deutlich ersichtlich dass die Hysterese bei einem Anfangswert von unter 2 f r die 2P Auflage und bei etwa 6 bei der 1P Auflage beginnt und danach stetig im relevanten Bereich bis a 70 Grad ansteigen Dieses Ergebnis zeig dass hier die 2 Punktauflage wesentlich weniger Hystereseerscheinungen im Bereich von 250N zeigt Was an dem Messergebnis vielleicht verwunderlich erscheint ist die Tatsache dass es beim Winkel um die 10 Grad zu einer erh hten Hysterese kommt Da diese Tatsache sich aber in zwei unabh
141. ysterese beim Hoch bzw Runterfahren des Sitzes erheblich So weist sie einen Wert von 27 1 bezogen auf die maximale auftretende Amplitude auf Wird der Wert auf den Messbereich von 200 kg bezogen ist die Hysterese 5 54 Dieses Ergebnis ist relativ unerwartet da bei der Untersuchung des Kraftmessbolzens in der Pr fvorrichtung nahezu keine Hystereseerscheinungen auftrat Zwei Problemstellen wurden untersucht um den negativen Einfluss auf die Ausgangsspannung des KMB zu extrahieren e Torsion des Innenteil e Beeinflussung des magnetischen Kreises Torsion des Innenteils Angenommen wurde dass durch das Verdrehen der bolzenaufnehmenden Schenkel eine Torsion des Innenteils auftritt Dies w rde eine wenn auch kleine Verdrehung zwischen Topf und messendem Element Doppelbiegebalken hervorrufen Dadurch w rde es zu einem radialen Versatz zwischen Hall IC und Magneten kommen und ein Offset der Ausgangsspannung entstehen Autor Roland Schaller 80 123 Diplomarbeit Gewichtssensor Aufgrund der Einbaubedingungen der KMB konnte dieser Einfluss aber ausgeschlossen werden So sind die Bolzen an der Vorderseite des Sitzes um 180 Grad gedreht gegen ber der R ckseite eingebaut Die Schenkel der H henverstellung bewegen sich aber in die gleiche Richtung bei der Verstellung was aufgrund der Einbaubedingungen einen gegengleichen Offset an der Vorder bzw R ckseite bewirken m sste Unter diesen Bedingungen SS w rden sich die Offsets daher
142. z 1 K 0 5 10 Toleranz des Temperaturgangs WK 0 3 10 Anpassung des Temperaturgangs im Bereich G 10 120 Mechanische Hysterese DE 8 l BL bei Referenztemperatur und Dehnung e 1000 m m am DMS Typ LY11 6 120 bei 1 Belastungszyklus und Klebstoff Z 70 um m 1 bei 3 Belastungszyklus und Klebstoff Z 70 um m 0 5 bei 1 Belastungszyklus und Klebstoff X 60 um m 2 5 bei 3 Belastungszyklus und Klebstoff X 60 umim 1 bei 1 Belastungszyklus und Klebstoff EP 250 umim 1 bei 3 Belastungszyklus und Klebstoff EP 250 um m 1 Maximale Dehnbarkeit bei Referenztemperatur unter Verwendung von Klebstoff Z 70 am DMS Typ LY11 6 120 Dehnungsbetrag bei positiver Richtung um m 50 000 45 Dehnungsbetrag e bei negativer Richtung um m 50 000 45 Dauerschwingverhalten bei Referenztemperatur unter Verwendung von Klebstoff X 60 am DMS Typ LY61 6 120 Erreichbare Lastspielzahl L bei Wechseldehnung amp 1000 um m und Nullpunkt nderung e A 300 um m gt gt 107 Pr fung wurde bei 10 abgebrochen AN As 30 um m gt 107 Pr fung wurde Del 107 abgebrochen Kleinster Kr mmungsradius l ngs und quer bei Referenztemperatur bei DMS mit Anschlu b ndern mm 0 3 bei DMS mit integrierten Anschlu fl chen im Bereich des Me gitters mm 0 3 im Bereich Anschlu fl chen mm 2 Verwendbare Befestigungsmittel kalth rtende Klebstoffe Z 70 X 60 X 280 hei h rtende Klebstoffe EP 250 EP 310 1 Die Daten sind abh ngig von

Diplomarbeit Roland SCHALLER F757

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