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Sicherheit und Fahrdynamik mit Niveausensoren

Autonom fahrende Fahrzeuge des zukünftigen Level 5 benötigen eine deutlich höhere Anzahl von Sensoren. Diverse dafür notwendige Sensoren befinden sich noch in Entwicklung. Andererseits sind viele Funktionen bereits heute in den Fahrzeugen mit Level 2 und 3 im Einsatz, u.a. für Komfort - und Fahrerassistenzsysteme. So werden für Fahrdynamik und Sicherheit eines PKWs seit vielen Jahren Niveausensoren am Fahrwerk verbaut, die notwendige Informationen für Leuchtweiten- und Fahrwerkregulierungssysteme liefern. Solche Niveausensoren werden in Fahrzeugen aller Antriebssysteme eingesetzt, von PKWs mit klassischen Verbrennungsmotoren bis hin zu Hybrid- und E-Autos. Mit einem jährlichen Produktionsvolumen von mehreren Millionen Stück ist Swoboda ein weltweit führender Anbieter dieses Sensortyps.

Dieser Beitrag geht zunächst der Frage nach, wie Niveausensoren funktionieren, welche Informationen gemessen und ausgewertet werden und welche Besonderheiten die Sensoren haben.

Niveausensorauswertung für Komfort- und Sicherheitsfunktionen

Moderne Fahrzeuge erhalten viele neue Funktionen, die dem Fahrer assistieren, das Fahren angenehmer und sicherer zu machen. Sie erhöhen den Komfort, andere verbessern die Sicherheit. Zwei in die Kategorie der adaptiven Fahrerassistenzsysteme fallende Systeme, sind die Fahrwerks- und die Leuchtweiten-Regulierung. Die Steuerung beider Funktionen ist von Informationen des Fahrwerks abhängig.

Die dynamische Fahrwerksregulierung verbessert gleichermaßen Sicherheit und Komfort des Fahrzeugs. Der Fahrer wählt das für ihn angenehme „Fahrgefühl“ aus, wie sportliches Fahren für dynamische Fahrten oder Komfort zum Beispiel für Langstreckenfahrten, und die dazu vorhandene Steuereinheit regelt das Fahrwerk dynamisch. Niveausensoren, die im Querlenker am Fahrwerk verbaut sind, versorgen das Steuergerät mit den zur Regelung notwendigen Informationen für die Kontrollalgorithmen.

Moderne Fahrzeugscheinwerfer haben durch LED-Technologien eine sehr viel größere Reichweite als die herkömmlichen Halogensysteme und die Gefahr des Blendens anderer Verkehrsteilnehmer ist verstärkt gegeben. Daher besagt eine EU-Vorschrift, dass für Fahrzeuge mit Scheinwerfern stärker als 2.000 Lumen eine dynamische Leuchtweiten-regulierung vorgeschrieben ist.

Bei einer Beladung eines Fahrzeugs im Heck, senkt sich dieses und die Scheinwerfer scheinen etwas weiter nach oben. Ist die Beladung des Fahrzeugs größer, dass dieser Effekt zum Blenden anderer Verkehrsteilnehmer führt, müssen die Scheinwerfer heruntergeregelt werden. Diese eher statische Veränderung wurde durch mehr oder weniger einfache Scheinwerfer-Verstellmechaniken ausgeglichen. Im Fahrbetrieb greift eine solche mechanische Regulierung jedoch nur bedingt. Die Höhe der Scheinwerfer wird beim fahrenden Fahrzeug zusätzlich durch dynamische Effekte, zum Beispiel durch Bodenunebenheiten verändert. Um die Reichweiten und Höhenregulierung der Frontscheinwerfer daher dynamisch an die Straßenverhältnisse anzupassen, messen Levelsensoren kontinuierlich das Fahrzeugniveau, deren Information dann ähnlich wie bei der Fahrwerksregulierung an die Steuergeräte weitergleitet werden.

Funktionsweise

Ein Niveausensor, auch als Level- oder Drehwinkelsensor bezeichnet, ist für die Erfassung einer Winkeländerung des Querlenkers eines KFZ konzipiert. Querlenker sind bei der Einzelradaufhängung an Fahrzeugen quer zur Fahrtrichtung angeordnete Verbindungselemente. Sie führen den Radträger annähernd in vertikaler Richtung und übertragen die Querkräfte zwischen Rad und Fahrzeugkörper, so stabilisieren sie die Ausrichtung der Räder. Die Bewegung des Querlenkers wird dabei durch ein Koppelgestänge auf den Sensor übertragen. Der Sensor zur Erfassung der Bewegung ist konstruktiv in zwei vollständig voneinander getrennte Bereiche unterteilt, in den mechanischen und den elektronischen Teil. Die Mechanik bewirkt eine Umsetzung einer Winkeländerung der Antriebsachse des Sensors in eine Drehbewegung eines diametral magnetisierten Magneten im Sensor.

Die Elektronik des Sensors arbeitet kontaktlos mit 2D-Hall-Elementen, die unter einem rotierenden Magnetfeld angeordnet sind (Das rotierende Magnetfeld erzeugt in den stromdurchflossenen Hall-Halbleitern eine elektrische Spannung, die senkrecht zu beiden Feldern von Magnet und Strom gerichtet ist. Die Hall-Elemente sind geometrisch dabei so angeordnet, dass durch das über ihnen rotierenden Magnetfeld ein Sinus- und ein Kosinus-Signal erzeugt werden. Die zum Schutz gegen Feuchtigkeit vollständig vergossene Elektronik generiert in der Ausgangsstufe durch mathematische Verrechnung, Aufbereitung, Filterung die elektrischen Steuersignale, die in ein dem Eingang äquivalentes, analoges, PWM, 12 Bit und 150 bis 2000 Hz, oder PSI5 Ausgangssignal umgewandelt werden.

Dieses Steuersignal, auch als Transfer Funktion (T.F.) bezeichnet, ist die gemeinsame Sprache zwischen dem Sensor, der eine mechanische Bewegung des Fahrwerks in ein Signal übersetzt, und dem Steuergerät, das über das empfangene Signal die mechanische Änderung zurückberechnet. Auf der X-Achse der T.F ist immer die Position dargestellt, auf der Y- Achse immer das Signal. Je nach Kunde, Steuergerät und Fahrwerk, kann diese Transfer-Funktion unterschiedlich sein. Die Transferfunktion wird sowohl dem Steuergerät für die Leuchtweitenregulierung der Frontscheinwerfer als auch dem Steuergerät der Fahrwerkssteuerung zugeleitet, wo sie, wie beschrieben, ausgewertet und zur dynamischen Steuerung der jeweiligen Funktion genutzt wird.

Die Drehwinkelsensoren können über eine Anwendung im Fahrzeug in weiteren Applikationen eingesetzt werden, unter anderem zur Winkelmessung der Achslagerpunkte von Roboterarmen, in Doppelquerlenkerarmen, zur Erfassung des Radweges über ein Gestänge zur HID-Steuerung und zur aktiven Dämpfungsregelung.

Fahrzeugspezifische Sensorentwicklung und Produktion

Niveausensoren werden in viele Fahrzeugtypen mit unterschiedlichen Fahrwerken eingebaut. Die Querlenker mit den Sensoren sind somit keine Standardprodukte, sondern werden an jedes Fahrzeug angepasst. Außerdem müssen sie für viele Jahre Nutzung im Fahrzeug unter allen extremen Umgebungsbedingungen funktionieren. Das verlangt spezifische Umweltqualifikationen, Robustheit sowie technische Ausgereiftheit. Der Sensor ist kompakt und für die Anforderungen akkurat gelagert. Die Mechanik und der elektronische Teil sind komplett voneinander getrennt und die Elektronik ist zum Schutz vor Feuchtigkeit konsequent mit einer dedizierten Dichtung im Bereich der Lagerung versehen, damit dieser langfristig dicht bleibt. Der Magnet selbst ist zum Schutz vor Witterungseinflüssen zusätzlich beschichtet.

Durch die unterschiedlichen Fahrzeugtypen benötigt jeder Sensor ein kundenspezifisches mechanisches sowie elektrisches Interface, wichtig ist dabei ihre Kompaktheit. Aus diesem Grund sind die Steckverbinder modular konzipiert und von Kunde zu Kunde unterschiedlich. Auch der Hebel ist von Fahrzeug zu Fahrzeug unterschiedlich. Die Varianz beim Zusammenbau ist damit sehr groß. Alle diese Umstände verlangen Flexibilität bei gleichzeitiger Qualität, sowohl beim Design als auch bei der Herstellung der Sensoren. Die Sensor-Systeme sind robust, voll redundant und zu hundert Prozent End-of-Line programmiert und rückverfolgbar. Swoboda fertigt mittlerweile in der dritten Generation, seit fast vierzehn Jahren, viele Millionen Niveausensoren für zahlreiche verschiedene Kunden und Fahrzeuge.

Zusammenfassung

Der Einsatz des Drehwinkelsensors ist natürlich unabhängig von der Wahl des Antriebs. Die Sensoren werden sowohl in herkömmlichen Fahrzeugen mit Verbrennungsantrieb als auch in modernen Hybrid oder voll elektrifizierten Autos vieler großer OEMs in den USA, Europa und Asien genutzt.

Die seit 2007 bei Swoboda in sehr hohen Stückzahlen mit hoher Varianz gefertigten Niveausensoren werden von führenden Automobilunternehmen in vielen Fahrzeugtypen eingesetzt. Die auch als Drehwinkelsensoren bezeichneten Sensoren messen mittels 2-D-Hall-Sensoren die mechanischen Bewegungen des Fahrwerks, an dem sie verbaut sind. Ihre Ausgangssignale dienen zur Steuerung der Leuchtweitenregulierung und für Fahrwerks-einstellungen für Komfort und Sicherheit.

Sensorinformationen sind die Basis für Funktion zahlreicher aktiver und passiver Sicherheitssysteme. Durch viele Innovationen bei der Entwicklung neuer Sensoren sind die Sicherheits- und Fahrerassistenzsysteme in den letzten Jahren immer leistungsfähiger geworden. Swoboda fertigt global Niveausensoren seit fast vierzehn Jahren in Millionen Stück, auf neuestem Stand der Technik und für viele verschiedene Kunden und Fahrzeuge. Die Entwicklungsabteilungen arbeiten derzeit auch an induktiven Niveau- und Linearsensoren. Das Unternehmen liefert zudem auch Beschleunigungs-, Raddrehzahl-, Nockenwellen-, oder Kombinationssensoren.

Mehr dazu finden Sie hier: www.swoboda.com/news-events/news-archiv/swoboda-top-bei-massgeschneiderten-sensoren/ und hier: www.swoboda.com/produkte-loesungen/produktuebersicht/