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Die Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung für ein Verbundbauteil, insbesondere für einen Unterfahrschutz. Die Erfindung betrifft ferner einen als Verbundbauteil ausgebildeten Unterfahrschutz für ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Sensorvorrichtung sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.
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Ein Verbundbauteil, wie insbesondere ein sogenannter Unterfahrschutz bzw. Unterbodenschutz für ein Kraftfahrzeug, kann mit wenigstens einer Sensorvorrichtung ausgestattet sein, die insbesondere dafür vorgesehen ist, eine unfallbedingte Deformation des Verbundbauteils, die möglicherweise auch auf eine Beschädigung umliegender Bauteile oder Baugruppen hinweist, zu detektieren. Die Sensorvorrichtung kann wenigstens einen Sensordraht oder dergleichen aufweisen, der als Deformationssensor fungiert. Ein solcher Sensordraht muss in geeigneter Weise elektrisch kontaktiert bzw. angeschlossen werden, um diesen bspw. mit einem Steuergerät elektrisch zu verbinden, was auch als externe elektrische Kontaktierung bezeichnet werden kann.
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Die
DE 10 2017 206 663 A1 beschreibt eine zur Verwendung an einem Batteriegehäuse eines Elektrofahrzeugs vorgesehene Schutzplatte, die bspw. aus einem Kunststoff gefertigt ist. Die Schutzplatte weist mindestens einen Deformationssensor auf. Der Deformationssensor umfasst eine elektrisch leitfähige Beschichtung, welche auf die Schutzplatte aufgebracht ist. Bevorzugt ist die elektrisch leitfähige Beschichtung eine Leiterbahn, welche sich zwischen einer ersten Klemme und einer zweiten Klemme erstreckt. Über die erste Klemme und die zweite Klemme ist der Deformationssensor mit einer Auswerteschaltung verbunden.
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Die
DE 10 2021 106 171.7 beschreibt ein vorzugsweise als Unterbodenbauteil ausgebildetes Verbundbauteil mit einem Sensordraht. An einer Kontaktierungsstelle bzw. einem Kontaktierungsbereich des Sensordrahts kann ein mit dem Sensordraht elektrisch verbundenes Metallplättchen vorgesehen sein. Bevorzugt ist der Sensordraht mit dem Metallplättchen vernäht bzw. verstickt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine robuste und mehrere Sensordrähte aufweisende Sensorvorrichtung für ein Verbundbauteil bereitzustellen, die eine besonders einfache externe elektrische Kontaktierung der Sensordrähte ermöglicht.
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Die Aufgabe wird gelöst durch die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Mit nebengeordneten Patentansprüchen erstreckt sich die Erfindung auch auf einen als Verbundbauteil ausgebildeten Unterfahrschutz für ein Kraftfahrzeug sowie auf ein Verfahren zu dessen Herstellung. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich analog für alle Erfindungsgegenstände aus den abhängigen Patentansprüchen, der nachfolgenden Erfindungsbeschreibung (dies schließt ausdrücklich auch beispielhaft und optional beschriebene Merkmale ein) und den Figuren.
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Die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung, die auch als Deformationssensorvorrichtung bezeichnet werden kann, umfasst zumindest folgende Komponenten:
- - einen flächigen, d. h. im Wesentlichen zweidimensionalen, Träger;
- - mehrere, d. h. wenigstens zwei oder mehr, auf dem (flächigen) Träger angeordnete bzw. verlegte elektrisch leitende Sensordrähte, welche jeweiligen Bereichen des Trägers zugeordnet sind, womit insbesondere gemeint ist, dass jeder Sensordraht in einem anderen Bereich bzw. Segment des Trägers angeordnet bzw. verlegt ist; sowie
- - eine (einzelne) auf dem (flächigen) Träger angeordnete Anschlusseinrichtung, die für die externe elektrische Kontaktierung aller Sensordrähte vorgesehen ist, wobei diese Anschlusseinrichtung eine flexible Leiterplatte aufweist, an der bzw. auf der sich mehrere mit den Sensordrähten elektrisch verbundene, d. h. elektrisch leitend verbundene, Kontaktierungselemente befinden, die für die externe elektrische Kontaktierung der Sensordrähte vorgesehen sind.
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Einerseits wird bei der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung durch Zusammenfassung der Kontaktierungsstellen bzw. Anschlusspunkte an bzw. auf einer Leiterplatte eine besonders einfache, d. h. sowohl einfach ausgestaltbare als auch einfach herstellbare, externe elektrische Kontaktierung aller Sensordrähte ermöglicht. (Mit externer elektrischer Kontaktierung der bzw. aller Sensordrähte ist insbesondere eine Vielzahl von externen elektrischen Kontaktierungen gemeint, was im Weiteren nicht explizit unterschieden wird.) Anderseits ist die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung aber auch robust, da die Leiterplatte aufgrund ihrer flexiblen Eigenschaften unempfindlich gegenüber mechanischen Spannungen ist (s. u.). Die Erfindung hat aber auch wirtschaftliche Vorteile und ist ferner vorteilhaft für eine prozesssichere Automatisierung diverser Herstellungsvorgänge bzw. -schritte.
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Der flächige Träger (im Weiteren auch nur als Träger bezeichnet) ist bevorzugt ein flächiges Textil (Sensortextil) bzw. ein textiles Flächengebilde. Insbesondere handelt es sich um ein Faservlies bzw. einen Faservliesstoff oder Ähnliches. Das Textil bzw. Faservlies ist insbesondere aus Glasfasern gebildet. Der Träger kann vergleichsweise dünn ausgebildet sein und eine Dicke von nur wenigen Zehntel Millimetern aufweisen.
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Die Sensordrähte können einen Durchmesser von 50 µm bis 150 µm aufweisen. Bevorzugt handelt es sich um metallische Sensordrähte, insbesondere um sogenannte Widerstandsdrähte. Die Sensordrähte sind mit vorgegebenen Verläufen, bspw. mäanderartigen Verläufen, auf dem Träger verlegt und in geeigneter Weise am Träger befestigt, bspw. aufgeklebt oder aufgestickt. Die Sensordrähte sind dafür vorgesehen, eine etwaige Deformation, insbesondere unfallbedingte Deformation, des Verbundbauteils zu erfassen bzw. zu detektieren (eine Deformation geht häufig mit einer Beeinträchtigung der strukturellen Integrität einher), wobei gegebenenfalls auch eine Quantifizierung möglich ist. Dies erfolgt insbesondere durch Erfassung von elektrischen Widerstandsveränderungen aufgrund von deformationsbedingten Längenveränderungen der Sensordrähte. Die Sensordrähte fungieren somit als Deformationssensoren und können daher auch als Deformationssensordrähte bezeichnet werden. Die Verwendung mehrerer Sensordrähte verringert die Gefahr eines vollständigen Ausfalls der Deformationsdetektion. Die bereichsweise Anordnung der Sensordrähte ermöglicht ferner auch die Lokalisierung einer Deformation.
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Die Anschlusseinrichtung ist ebenfalls auf dem Träger angeordnet und bevorzugt in geeigneter Weise am Träger befestigt, bspw. angenäht, angestickt oder angeklebt. Die Anschlusseinrichtung kann auch als Kontaktierungseinrichtung bezeichnet werden. Die Anschlusseinrichtung ist für die externe elektrische Kontaktierung aller Sensordrähte vorgesehen und kann daher, unabhängig von ihrer Positionierung auf dem Träger, auch als zentrale Anschlusseinrichtung bezeichnet werden. (Wie bereits erwähnt, ist mit externer elektrischer Kontaktierung aller Sensordrähte insbesondere eine Vielzahl externer elektrischer Kontaktierungen gemeint.) Bevorzugt sind alle Sensordrähte so verlegt, dass sich deren Drahtenden an der Anschlusseinrichtung befinden, d. h., die Sensordrähte sind jeweils von der Anschlusseinrichtung weg- und in einer Schleife wieder zurückgeführt.
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Erfindungsgemäß ist die Anschlusseinrichtung als flexible Leiterplatte ausgebildet bzw. weist eine flexible Leiterplatte auf. Eine flexible Leiterplatte (im Weiteren auch nur als Leiterplatte bezeichnet) ist aus einem flexiblen und/oder dehnbaren isolierenden Material, insbesondere einer Kunststofffolie oder einem textilen Flächengebilde oder dergleichen, und darauf aufgebrachten oder gegebenenfalls auch darin eingebrachten Leiterbahnen aus einem elektrisch leitfähigen Material, insbesondere aus Kupfer oder einer Kupferlegierung, gebildet. Die flexible Leiterplatte ist im Gegensatz zu einer starren Leiterplatte ohne Funktionsbeeinträchtigung verformbar, wodurch bspw. beim Herstellungsprozess des Verbundbauteils oder beim Setzen von Kontaktierungshilfselementen auftretende mechanische Spannungen, die zu Beschädigungen (bspw. Brüchen und Drahtabrissen) führen können, verringert werden. Die flexible Leiterplatte ist bevorzugt rechteckig ausgebildet und weist insbesondere Abmessungen von nicht mehr als 30 mm x 100 mm auf.
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Erfindungsgemäß weist die (flexible) Leiterplatte mehrere mit den Sensordrähten elektrisch verbundene Kontaktierungselemente auf, die aufgrund ihrer vorgesehenen Anordnung im Verbundbauteil auch als interne Kontaktierungselemente bezeichnet werden können. Diese (internen) Kontaktierungselemente sind als Kontaktierungsstellen bzw. Anschlusspunkte vorgesehen, um die Sensordrähte quasi von außen elektrisch zu kontaktieren und insbesondere mit einem Steuergerät, womit insbesondere eine Auswerte- und/oder Steuereinheit gemeint ist, elektrisch zu verbinden. Hierfür können von außen gesetzte Kontaktierungshilfselemente, die auch als externe Kontaktierungselemente bezeichnet werden können, vorgesehen sein, die mit den (internen) Kontaktierungselementen der Anschlusseinrichtung elektrisch leitend verbunden sind/werden.
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Bevorzugt sind an der Anschlusseinrichtung bzw. Leiterplatte für jeden Sensordraht der Sensorvorrichtung zwei Kontaktierungselemente vorgesehen, mit denen insbesondere die jeweiligen Drahtenden (Sensordrahtenden) elektrisch leitend verbunden sind. Bspw. sind vier Sensordrähte und acht Kontaktierungselemente vorgesehen. Es kann allerdings auch vorgesehen sein, dass mehrere Sensordrähte, insbesondere alle Sensordrähte, jeweils mit einem ihrer Drahtenden mit demselben Kontaktierungselement elektrisch leitend verbunden sind, über dass dann bspw. eine gemeinsame Masseanbindung der betreffenden Sensordrähte erfolgt. Im Falle von vier Sensordrähten wären dann fünf Kontaktierungselemente ausreichend.
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Bevorzugt sind die Kontaktierungselemente an der Leiterplatte in einer Reihe angeordnet. Mit anderen Worten: die Kontaktierungselemente sind derart benachbart zueinander angeordnet, dass diese auf einer Linie liegen. Die externe Kontaktierung kann so einfacher hergestellt werden, insbesondere dann, wenn das externe Kontaktieren, also das Herstellen der externen Kontaktierung, automatisiert durchgeführt wird.
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Die flexible Leiterplatte weist bevorzugt mehrere separate, d. h. elektrisch nicht miteinander verbundene, Leiterbahnen auf, die die Sensordrähte, insbesondere deren Drahtenden, elektrisch leitend mit den Kontaktierungselementen verbinden. Bevorzugt weisen diese Leiterbahnen jeweils eine erste Kontaktfläche, mit der mindestens ein Drahtende (Sensordrahtende) elektrisch leitend verbunden ist, und eine zweite Kontaktfläche für die externe elektrische Kontaktierung auf. Die Sensordrähte bzw. deren Drahtenden sind insbesondere mit den ersten Kontaktflächen verlötet oder in sonstiger geeigneter Weise elektrisch leitend mit den ersten Kontaktflächen verbunden bzw. an den ersten Kontaktflächen befestigt. Die zweiten Kontaktflächen können unmittelbar als Kontaktierungselemente ausgebildet sein. Vorzugsweise sind die Kontaktierungselemente jedoch als Kontaktierungsbleche bzw. Metallplättchen ausgeführt bzw. ausgebildet, um eine ausreichende Verbindungsqualität, insbesondere einen stabilen Übergangswiderstand, zu gewährleisten. Bevorzugt sind diese Kontaktierungsbleche auf die Leiterplatte, insbesondere auf die zweiten Kontaktflächen, aufgelötet oder in sonstiger geeigneter Weise elektrisch leitend mit den zweiten Kontaktflächen verbunden bzw. an den zweiten Kontaktflächen befestigt. Die Kontaktierungsbleche können eine Dicke (Blechdicke) von mehreren Zehntel Millimetern aufweisen, bspw. bis zu 0,5 mm oder sogar bis zu 1,0 mm.
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Unter einer „elektrisch leitenden Verbindung“ (im Weiteren auch nur als „elektrische Verbindung“ bezeichnet) wird insbesondere eine galvanische Verbindung, d. h. eine stromleitende mechanische Verbindung, zwischen den verbundenen elektrischen Komponenten verstanden. Gleiches gilt analog für die Formulierung „elektrisch leitend verbunden“ (im Weiteren auch nur als „elektrisch verbunden“ bezeichnet.) Unter einer „elektrischen Kontaktierung“ wird eine über geeignete Kontaktierungs- bzw. Anschlussmittel herbeigeführte elektrisch leitende Verbindung zwischen elektrischen Komponenten verstanden. Im Weiteren beziehen sich die Formulierungen „elektrisch leitende Verbindung“ bzw. „elektrisch leitend verbunden“ und „elektrische Kontaktierung“, insbesondere „externe elektrische Kontaktierung“, sowohl auf eine einzelne Verbindung bzw. Kontaktierung als auch auf eine Vielzahl von Verbindungen bzw. Kontaktierungen, wobei zwecks sprachlicher Vereinfachung teilweise nicht zwischen Einzahl (Singular) und Mehr- bzw. Vielzahl (Plural) unterschieden wird.
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Die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung, die aufgrund der Anordnung mehrerer Sensordrähte auf einem Träger auch als Sensoranordnung bezeichnet werden kann, ist für die Verwendung in einem Verbundbauteil, insbesondere einem flächigen, d. h. im Wesentlichen zweidimensionalen, Verbundbauteil vorgesehen. Ein Verbundbauteil ist ein aus mehreren Werkstoffen bzw. Materialien gefertigtes Bauteil. Ein Verbundbauteil ist insbesondere ein zumindest teilweise aus Faserkunststoffverbundmaterial gefertigtes Bauteil, das auch als Faserkunststoffverbundbauteil bezeichnet werden kann. Bevorzugt handelt es also sich um ein Faserkunststoffverbundbauteil, vorzugsweise um ein thermoplastisches Faserkunststoffverbundbauteil, das insbesondere aus mehreren Lagen bzw. Schichten aufgebaut ist. Insbesondere handelt es sich um ein Sandwichbauteil mit einer inneren Kernlage und zwei äußeren Decklagen. Die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung kann als vorgefertigtes Zwischenprodukt bereitgestellt und bei der Herstellung des Verbundbauteils in dieses, insbesondere in den Lagen- bzw. Schichtaufbau, integriert werden.
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Bevorzugt ist ein solches Verbundbauteil als Unterfahrschutz bzw. Unterbodenschutz für ein Kraftfahrzeug ausgebildet. Erfindungsgemäß weist ein solcher als Verbundbauteil ausgebildeter Unterfahrschutz wenigstens eine erfindungsgemäße Sensorvorrichtung auf, die sich insbesondere im Inneren des Unterfahrschutzes befindet bzw. in den Unterfahrschutz integriert ist. Bevorzugt ist der Unterfahrschutz als schalenartiges Sandwichbauteil mit einer Kernlage und zwei Decklagen ausgebildet, wobei die Sensorvorrichtung insbesondere in einer der Decklagen oder zwischen der Kernlage und einer der Decklagen angeordnet ist. Der Unterfahrschutz ist insbesondere für den Schutz einer am Kraftfahrzeug verbauten Traktionsbatterie vorgesehen. Mit der Sensorvorrichtung kann dann eine die Traktionsbatterie bzw. deren Batteriemodule gefährdende Deformation des Unterfahrschutzes detektiert bzw. erfasst werden.
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Die nachfolgenden Erläuterungen in Bezug auf einen Unterfahrschutz gelten analog auch für ein Verbundbauteil, insbesondere für ein flächiges und/oder schalenartiges Verbundbauteil, das nicht als Unterfahrschutz ausgebildet ist.
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Für die externe elektrische Kontaktierung der Sensordrähte der Sensorvorrichtung sind bevorzugt mehrere äußere Anschlussdrähte vorgesehen, die mit den Kontaktierungselementen an der Anschlusseinrichtung bzw. flexiblen Leiterplatte der Sensorvorrichtung elektrisch leitend verbunden sind. Mit äußeren Anschlussdrähten sind elektrisch leitende Drähte oder dergleichen gemeint, die nicht im Inneren des Verbundbauteils bzw. Unterfahrschutzes angeordnet sind. Die äußeren Anschlussdrähte können zumindest abschnittsweise mit einer Isolierung, bspw. einem Isolierlack oder einer Ummantelung, ausgebildet und insofern auch als Anschlusskabel bezeichnet werden. Die äußeren Anschlussdrähte können zumindest abschnittsweise am Verbundbauteil bzw. Unterfahrschutz befestigt sein. Bevorzugt ist für jedes Kontaktierungselement der Anschlusseinrichtung bzw. Leiterplatte ein äußerer Anschlussdraht vorgesehen. Eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den äußeren Anschlussdrähten und den Kontaktierungselementen der Anschlusseinrichtung bzw. Leiterplatte der Sensorvorrichtung kann mittels Kontaktierungshilfselementen bewerkstelligt werden, die von extern gesetzt, d. h. von außen auf- oder eingebracht sind/werden. Als Kontaktierungshilfselemente eignen sich insbesondere metallische Schauben, Nieten, Reibschweißelemente, Reibnägel oder dergleichen. Zudem können an den betreffenden bzw. sensorseitigen Drahtenden der Anschlussdrähte (Anschlussdrahtenden) Kabelschuhe oder dergleichen vorgesehen sein. Die betreffenden bzw. sensorseitigen Drahtenden (Anschlussdrahtenden) der äußeren Anschlussdrähte können auch mit den Kontaktierungselementen an der flexiblen Leiterplatte verlöten werden/sein.
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Bevorzugt ist ein Steuergerät, womit insbesondere eine elektrische bzw. elektronische Auswerte- und/oder Steuereinheit gemeint ist, für die Sensorvorrichtung vorgesehen, das insbesondere mittels bzw. mithilfe der äußeren Anschlussdrähte elektrisch an die Sensorvorrichtung angeschlossen bzw. mit der Sensorvorrichtung elektrisch leitend verbunden ist.
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Der elektrische Anschluss des Steuergeräts (womit eine durch Anschlussmittel herbeigeführte elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Steuergerät und der Sensorvorrichtung bzw. deren Sensordrähten gemeint ist) kann quasi direkt erfolgen, d. h., die äußeren Anschlussdrähte sind von der Anschlusseinrichtung bzw. der flexiblen Leiterplatte bis zum Steuergerät verlegt.
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Bevorzugt ist jedoch ein quasi indirekter elektrischer Anschluss des Steuergeräts mittels eines am Unterfahrschutz, insbesondere auf dessen Innenseite, befestigten Mehrfachverbindungselements bzw. Mehrfachverbinders, welches bzw. welcher vorzugsweise als Mehrfachkupplung ausgebildet ist, vorgesehen. Bevorzugt ist das Mehrfachverbindungselement in einem hinsichtlich mechanischer Gefährdung und Medieneinwirkung unkritischen Bereich angeordnet. Das Mehrfachverbindungselement kann analog zum Steuergerät auf einer Erhöhung angeordnet sein (s. u.). Die Befestigung des Mehrfachverbindungselements erfolgt bspw. mittels Kleb-, Schraub- oder Rast- bzw. Klickverbindung. Die äußeren Anschlussdrähte sind ausgehend von der Anschlusseinrichtung bzw. der flexiblen Leiterplatte nur bis zu dem Mehrfachverbindungselement verlegt. Die elektrische Verbindung zwischen dem Mehrfachverbindungselement und dem Steuergerät kann dann über ein mehradriges Kabel, bspw. ein Flachbandkabel, bewerkstelligt werden, das mit wenigstens einem Steckverbindungselement zur Verbindung mit dem Mehrfachverbindungselement und/oder dem Steuergerät ausgebildet sein kann. Der Anschluss- bzw. Verbindungsaufwand wird dadurch reduziert.
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Das Steuergerät ist bevorzugt am Unterfahrschutz angeordnet, insbesondere in einem hinsichtlich mechanischer Gefährdung unkritischen Bereich, und in geeigneter Weise am Unterfahrschutz befestigt. Die Befestigung erfolgt bspw. mittels Kleb-, Schraub- oder Rast- bzw. Klickverbindung. Insbesondere ist vorgesehen, dass das Steuergerät mit einem Abstand von nicht mehr als 200 mm, insbesondere nicht mehr als 100 mm, von der Anschlusseinrichtung bzw. der flexiblen Leiterplatte der Sensorvorrichtung angeordnet ist, damit die äußeren Anschlussdrähte möglichst kurz sind und dadurch etwaige Störeinflüsse (auf die analogen Signale) minimiert werden. Bevorzugt ist das Steuergerät auf der (von der Fahrbahn abgewandten) Innenseite des Unterfahrschutzes angeordnet, insbesondere auf einer Erhöhung, die bspw. mittels Rippen oder als Plateau ausgebildet ist, um eine eventuelle Medieneinwirkung, insbesondere Gefährdung durch Wasser- oder sonstige Medienansammlung, zu vermeiden oder wenigstens zu reduzieren. Das Steuergerät ist bevorzugt in direkter Nähe zu Anschraub- bzw. Befestigungspunkten des Unterfahrschutzes angeordnet (selbiges gilt bevorzugt auch analog für das Mehrfachverbindungselement).
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines als Verbundbauteil ausgebildeten Unterfahrschutzes umfasst zumindest die folgenden Schritte:
- - Herstellen bzw. Erzeugen eines mehrere Lagen umfassenden Lagenaufbaus (durch Stapelbildung), dessen Lagen aus Kunststoff, faserverstärktem Kunststoff und/oder Faserhalbzeugen bzw. Faserhalbzeugzuschnitten gebildet sind, wobei in den Lagenaufbau auch eine erfindungsgemäße Sensorvorrichtung eingebracht wird, insbesondere derart, dass sich diese zwischen zwei Lagen oder innerhalb einer Lage befindet;
- - Verpressen des Lagenaufbaus zu dem als Verbundbauteil ausgebildeten Unterfahrschutz, wobei die Sensorvorrichtung, einschließlich der Anschlusseinrichtung, in das Verbundbauteil bzw. den Unterfahrschutz integriert wird, insbesondere vollständig integriert wird. Die Sensorvorrichtung bildet dann innerhalb des Verbundbauteils bzw. Unterfahrschutzes eine Sensorschicht bzw. Deformationssensorschicht.
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Bei den verwendeten Kunststoffen handelt es sich insbesondere um thermoplastische Kunststoffe. Bei den Verstärkungsfasern des faserverstärkten Kunststoffs handelt es sich insbesondere um Glasfasern. Bei den verwendeten Faserhalbzeugen handelt es sich vorzugsweise um Fasertextilien, die insbesondere aus Glasfasern gebildet sind. Die Faserhalbzeuge bzw. Fasertextilien können mit einem Kunststoff, insbesondere einem thermoplastischen Kunststoff, vorimprägniert sein. Selbiges gilt für den flächigen Träger der Sensorvorrichtung. Beim Verpressen, welches insbesondere ein Warmverpressen ist, werden die Lagen bzw. Schichten des zuvor erzeugten Lagenaufbaus stoff- und formschlüssig miteinander verbunden sowie die Form bzw. Gestalt des Unterfahrschutzes ausgebildet, wobei auch Zusatzelemente (bspw. Rippen, Halterungen, Abstandshalter, eine Erhöhung für das Steuergerät und dergleichen) angeformt werden können. Das Verpressen des Lagenaufbaus erfolgt bevorzugt in einem pressengebundenen Presswerkzeug. Der Unterfahrschutz kann Abmessungen von bis zu 1500 mm x 2000 mm und mehr aufweisen, bei einer bevorzugten Dicke (Gesamtdicke) von nur 5 mm bis 10 mm.
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Der Unterfahrschutz ist bevorzugt ein schalenartiges Sandwichbauteil mit einer inneren Kernlage und zwei äußeren Decklagen, wobei die innere Kernlage insbesondere aus einer LFT-Pressmasse (LFT = langfaserverstärkter Thermoplast) und die äußeren Decklagen aus mehreren Schichten eines Faserhalbzeugs gebildet werden/sind. Bevorzugt wird die Sensorvorrichtung bei der Stapelbildung zwischen den Schichten einer der Decklagen angeordnet und somit in die betreffende Decklage integriert.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann ferner den Schritt umfassen:
- - Herstellen bzw. Erzeugen der externen elektrischen Kontaktierung bzw. der externen elektrischen Kontaktierungen für die Sensordrähte der im Verbundbauteil integrierten Sensorvorrichtung mittels äußerer Anschlussdrähte, die mit den Kontaktierungselementen an der Anschlusseinrichtung bzw. flexiblen Leiterplatte der Sensorvorrichtung elektrisch leitend verbunden werden.
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Das externe elektrische Kontaktieren, d. h. das Herstellen der externen elektrischen Kontaktierung, kann manuell erfolgen. Bevorzugt erfolgt das elektrische Kontaktieren automatisiert, insbesondere mithilfe einer Robotervorrichtung oder dergleichen.
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Typischerweise befindet sich die flexible Leiterplatte einschließlich der Kontaktierungselemente für die externe elektrische Kontaktierung im Inneren des Verbundbauteils bzw. Unterfahrschutzes, sodass für die externe elektrische Kontaktierung ein Zugang zu den Kontaktierungselementen geschaffen werden muss. Hierzu können die an bzw. auf der flexiblen Leiterplatte befindlichen Kontaktierungselemente nach dem Verpressen freigelegt werden und/oder Kontaktierungshilfselemente verwendet werden. Kontaktierungshilfselemente sind bspw. metallische Schauben, Nieten, Reibnägel bzw. Dornelemente oder dergleichen, die auch ohne vorheriges Freilegen der Kontaktierungselemente von außen bzw. extern gesetzt werden können.
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Die Position der in das Bauteil integrierten, d. h. im Inneren des Verbundbauteils bzw. Unterfahrschutzes befindlichen flexiblen Leiterplatte unterliegt fertigungsbedingten Schwankungen. Um die flexible Leiterplatte sowie die daran angeordneten Kontaktierungselemente aufzufinden, sind feste Positionsvorgaben ungeeignet. Bevorzugt ist an bzw. auf der flexiblen Leiterplatte der Anschlusseinrichtung wenigstens ein Magnetelement angeordnet, das einen (magnetisch detektierbaren) Referenzpunkt bildet und eine (magnetische) Lokalisierung von außen ermöglicht. Bevorzugt sind wenigsten zwei an bzw. auf der flexiblen Leiterplatte angeordnete Magnetelemente vorgesehen. Das Lokalisieren sowie gegebenenfalls ein Ausrichten kann auch als Einmessen bezeichnet werden. Das Einmessen erfolgt insbesondere automatisiert. Nach dem Lokalisieren sowie gegebenenfalls Ausrichten können alle Kontaktierungselemente ohne weiteren Aufwand extern kontaktiert werden, was insbesondere automatisiert erfolgt.
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Die Verwendung von magnetischen Kontaktierungsblechen ermöglicht ebenfalls deren Lokalisierung von außen durch magnetische Detektierung. Wird die elektrische Kontaktierung ohne nennenswerte Verzögerung nach einem Warmverpressen des Lagenaufbaus erzeugt bzw. hergestellt, kann die Lokalisierung auch mittels Wärmebildkamera oder dergleichen erfolgen (metallische Komponenten kühlen langsamer ab als Kunststoffmaterial). Ferner kann vorgesehen sein, dass lokal im Bereich der flexiblen Leiterplatte, zumindest im Bereich der Kontaktierungselemente, transparentes Kunststoffmaterial verwendet wird, sodass eine Sichtlokalisierung möglich ist. Die vorausgehend erläuterten Maßnahmen können auch in Kombination angewendet werden.
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Wie bereits erwähnt, können die an bzw. auf der flexiblen Leiterplatte befindlichen Kontaktierungselemente nach dem Verpressen freigelegt werden, sodass ein freier Zugang geschaffen wird. Das Freilegen kann durch einen Fräsvorgang erfolgen, der insbesondere so ausgeführt wird, dass die Kontaktierungselemente nach dem Fräsen blank sind. Auch hierfür können die vorausgehend beschriebenen Maßnahmen hilfreich sein, um den freizulegenden bzw. abzufräsenden Bereich zu ermitteln.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann ferner den Schritt umfassen:
- - Befestigen eines Steuergeräts am Unterfahrschutz und Herstellen bzw. Erzeugen einer elektrisch leitenden Verbindung (zu der Sensorvorrichtung bzw. deren Anschlusseinrichtung) mithilfe von äußeren Anschlussdrähten sowie gegebenenfalls Abdichten bzw. Versiegeln der Kontaktierungsstellen bzw. Anschlusspunkte.
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Im Rahmen der Erfindung sind sowohl die vorausgehend beschriebenen als auch die nachfolgend erläuterten Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Merkmalskombination, sondern auch in anderen Merkmalskombinationen oder in Alleinstellung anwendbar. Dies gilt auch für die in den Figuren gezeigten Merkmale.
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Die Erfindung wird nachfolgend in nicht einschränkender Weise anhand der Figuren näher erläutert. Die in den Figuren gezeigten und/oder nachfolgend erläuterten Merkmale können, auch unabhängig von bestimmten Merkmalskombinationen, allgemeine Merkmale der Erfindung sein und die Erfindung entsprechend weiterbilden. Ferner können Merkmale verschiedener Ausführungsbeispiele bzw. -möglichkeiten zu weiteren Ausführungsbeispielen kombiniert werden.
- 1 zeigt den Lagenaufbau eines Unterfahrschutzes mit einer integrierten Sensorvorrichtung.
- 2 zeigt die im Unterfahrschutz der 1 verwendete Sensorvorrichtung mit mehreren Sensordrähten.
- 3 zeigt die für die externe elektrische Kontaktierung der Sensordrähte vorgesehene Anschlusseinrichtung an der Sensorvorrichtung der 2.
- 4 zeigt die zur Anschlusseinrichtung der 3 gehörende flexible Leiterplatte.
- 5 zeigt einen Abschnitt der Oberseite des Unterfahrschutzes der 1 mit freigelegten Kontaktierungselementen, die zur Anschlusseinrichtung der 3 gehören.
- 6 zeigt den elektrischen Anschluss eines am Unterfahrschutz der 1 befestigten Steuergeräts an die Sensorvorrichtung mittels äußerer Anschlussdrähte, die mit den gemäß 5 freigelegten Kontaktierungselementen der Anschlusseinrichtung elektrisch leitend verbunden sind.
- 7 zeigt analog zur Darstellung der 6 eine andere Ausführungsmöglichkeit für die elektrisch leitende Verbindung der äußeren Anschlussdrähte mit den Kontaktierungselementen der Anschlusseinrichtung.
- 8 zeigt eine weitere Ausführungsmöglichkeit für den elektrischen Anschluss eines Steuergeräts an die Sensorvorrichtung des Unterfahrschutzes.
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Der in 1 in einer Explosivdarstellung gezeigte Unterfahrschutz 100 für ein Kraftfahrzeug ist als mehrlagiges Verbundbauteil in Sandwichbauweise ausgebildet und weist eine innere Kernlage 110 und zwei äußere Decklagen 120, 130 auf. Die Lagen 110, 120, 130 sind laminatartig stoffschlüssig verbunden. Die Kernlage 110 ist bevorzugt aus einer thermoplastischen Pressmasse, bspw. einer LFT-Pressmasse, gebildet. Die Decklagen 120, 130 sind bevorzugt aus mehreren Faserhalbzeugschichten aufgebaut. In die obere (von der Fahrbahn abgewandte) Decklage 130 ist eine Sensorvorrichtung 200 mit mehreren elektrisch leitenden Sensordrähten 220 integriert, die sich somit im Inneren des Unterfahrschutzes 100 bzw. im Inneren der betreffenden Decklage 130 befindet. Die nachfolgenden Erläuterungen gelten analog auch für ein mit einer derartigen Sensorvorrichtung 200 ausgestattetes Verbundbauteil, welches nicht als Unterfahrschutz ausgebildet ist.
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In 2 ist die Sensorvorrichtung 200 dargestellt (vor der Integration in den Unterfahrschutz 100). Die Sensorvorrichtung 200 weist einen flächigen Träger 210 auf, der vorzugsweise aus einem Faservlies V und insbesondere aus einem Glasfaservlies gebildet ist, sowie mehrere auf dem Träger 210 angeordnete Sensordrähte 220, die mäanderartig verlegt und jeweils einem bestimmten Bereich (Sensierungsbereich) des Trägers 210 zugeordnet sind. Lediglich beispielhaft sind hier vier Sensordrähte 220 vorgesehen. Die Sensorvorrichtung 200 weist ferner eine ebenfalls auf dem Träger 210 angeordnete Anschlusseinrichtung 230 für die externe elektrische Kontaktierung aller Sensordrähte 220 auf (die Anschlusseinrichtung 230 kann daher auch als All-In-One-Anschlusseinrichtung bezeichnet werden). Die Umrisslinie U veranschaulicht die Lage der Sensorvorrichtung 200 im Unterfahrschutz 100. Die Sensordrähte 220 bilden im Unterfahrschutz 100 unabhängige Sensierungs- bzw. Detektionsbereiche, die insbesondere oberhalb des Unterfahrschutzes 100 befindlichen Hohlräume (Deformationskammern) zugeordnet sind und eine Intrusion des Unterfahrschutzes 100 in diese Hohlräume hinein detektieren können.
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In 3 ist die Anschlusseinrichtung 230 dargestellt. Die Anschlusseinrichtung 230 weist eine flexible Leiterplatte 231 auf. An bzw. auf der Leiterplatte 231 befinden sich mehrere mit den Sensordrähten 220 elektrisch verbundene Kontaktierungselemente 235 für die externe elektrische Kontaktierung der Sensordrähte 220. Bei den Kontaktierungselementen 235 handelt es sich um aufgelötete Kontaktierungsbleche oder dergleichen. Für jeden Sensordraht 220 sind zwei Kontaktierungselemente 235 vorgesehen, die jeweils mit einem Drahtende (Sensordrahtende) elektrisch leitend verbunden sind. Für die vier Sensordrähte 220 sind somit acht Kontaktierungselemente 235 vorgesehen. Die Kontaktierungselemente 235 sind in einer Reihe bzw. entlang einer Linie angeordnet. Jedes Kontaktierungselement 235 bildet eine Kontaktierungsstelle bzw. einen Anschlusspunkt für die externe elektrische Kontaktierung eines Drahtendes, d. h., jedes Drahtende eines Sensordrahts 220 ist mit jeweils einem der Kontaktierungselemente 235 elektrisch leitend verbunden.
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Die Anschlusseinrichtung 230 weist ferner auch zwei auf der flexiblen Leiterplatte 231 angeordnete Magnetelemente 236 auf, die Referenzpunkte für die Lokalisierung der Anschlusseinrichtung 230 bzw. der Kontaktierungselemente 235 im Unterfahrschutz 100 bilden, wie obenstehend erläutert.
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In 4 ist die flexible Leiterplatte 231 der Anschlusseinrichtung 230 dargestellt. Die flexible Leiterplatte 231 weist mehrere Leiterbahnen 232 auf, wobei für das gezeigte Ausführungsbeispiel acht Leiterbahnen vorgesehen sind. Jede der Leiterbahnen 232 weist eine kleinere erste Kontaktfläche 233 und eine größere zweite Kontaktfläche 234 auf, die durch lokalen Abtrag einer Leiterplattendeckschicht (typischerweise ein Decklack, wie mit dem Punktmuster veranschaulicht) gebildet sind. An jeder kleineren ersten Kontaktfläche 233 wird ein Drahtende (Sensordrahtende) elektrisch leitend befestigt, insbesondere angelötet (siehe 3). Auf jede größere zweite Kontaktfläche 234 wird ein als Kontaktierungselement 235 fungierendes Kontaktierungsblech aufgelötet (siehe 3). Aufgrund der flexiblen Eigenschaften der Leiterplatte 231 sind die Kontaktflächen 233, 234 der Leiterbahnen 232 zueinander relativbeweglich, was zu einer dauerhaften thermischen und mechanischen Robustheit beiträgt, sowohl bei der Herstellung des Unterfahrschutzes 100 als auch über der Produktlebensdauer.
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Die Löcher 237 ermöglichen eine Befestigung der flexiblen Leiterplatte 231 am Träger 210, bspw. mittels Näh- oder Stickfaden. Ferner können sich beim Verpressen (wie obenstehend beschrieben) durch die Löcher 237 hindurch Kunststoffbrücken ausbilden. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel befinden sich die Löcher 237 (acht Löcher) innerhalb der Leiterbahnen 232 zwischen den ersten Kontaktflächen 233 und zweiten Kontaktflächen 234. Dadurch können auf der Leiterplatte 231, insbesondere auch auf einer kleinen bzw. kleinflächigen Leiterplatte 231, platzsparend eine Vielzahl von Löchern 237 untergebracht werden.
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In 5 ist ein Abschnitt des Unterfahrschutzes 100 dargestellt, innerhalb dessen sich die Anschlusseinrichtung 230 der integrierten Sensorvorrichtung 200 befindet. Die Kontaktierungselemente 235 der Anschlusseinrichtung 230 sind lokal freigelegt, insbesondere durch einen Fräsvorgang. Die freigelegten Kontaktierungselemente 235 befinden sich an der von der Fahrbahn abgewandten Innenseite des Unterfahrschutzes 100. Im gezeigten Abschnitt ist der Unterfahrschutz 100 ferner mit innenseitigen Rippen 140 ausgebildet.
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In 6 ist ein Steuergerät 300 für die Sensorvorrichtung 200 dargestellt, das auf der Innenseite des Unterfahrschutzes 100 auf den Rippen 140 in einer erhöhten Lage angeordnet ist. Das Steuergerät 300 ist mittels äußerer Anschlussdrähte 400 mit der integrierten Sensorvorrichtung 200 elektrisch verbunden. Die äußeren Anschlussdrähte 400 sind mit den freigelegten Kontaktierungselementen 235 der Anschlusseinrichtung 230 elektrisch leitend verbunden. Die sensorseitigen Drahtenden (Anschlussdrahtenden) der äußeren Anschlussdrähte 400 können mit den Kontaktierungselementen 235 der Anschlusseinrichtung 230 verlötet oder verschweißt sein, wobei auch Kontaktierungshilfselemente vorgesehen sein können (siehe 7). Somit ist jedes Sensordrahtende (Drahtende eines Sensordrahts 220) mittels der Anschlusseinrichtung 230 mit einem Anschlussdrahtende (Drahtende eines Anschlussdrahts 400) elektrisch leitend verbunden. Bevorzugt ist noch eine lokal aufgebrachte Abdichtung bzw. Versiegelung mittels Kunststoffmasse, Decklack oder Ähnlichem vorgesehen, die alle Kontaktierungsstellen bzw. Anschlusspunkte überdeckt.
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In 7 ist eine Ausführungsmöglichkeit dargestellt, bei der die Kontaktierungselemente 235 der Anschlusseinrichtung 230 nicht freigelegt sind, sondern sich verdeckt im Inneren des Unterfahrschutzes 100 befinden. Die elektrisch leitenden Verbindungen zwischen den äußeren Anschlussdrähten 400 und den Kontaktierungselementen 235 der Anschlusseinrichtung 230 sind mittels Kabelschuhen 410 und Kontaktierungshilfselementen 420 ausgeführt. Bevorzugt sind die Drahtenden (Anschlussdrahtenden) der Anschlussdrähte 400 mit den Kabelschuhen 410 stoffschlüssig verbunden, insbesondere verlötet oder verschweißt. Bei den Kontaktierungshilfselementen 420 handelt es sich bspw. um metallische Schauben, Nieten, Reibnägel bzw. Dornelemente, Reibschweißelemente oder dergleichen. Die (externen) Kontaktierungshilfselemente 420 sind form- und/oder stoffschlüssig mit den (internen) Kontaktierungselementen 235 elektrisch leitend verbunden. Die Drahtenden (Anschlussdrahtenden) der Anschlussdrähte 400 können auch direkt, d. h. ohne Kabelschuhe 410, mit den Kontaktierungshilfselementen 420 elektrisch leitend verbunden sein, bspw. durch Verlötung oder Verschweißung. Eine Versiegelung der Kontaktierungsstellen bzw. Anschlusspunkte kann entfallen. Optional kann aber auch hier eine lokal aufgebrachte Abdichtung bzw. Versiegelung vorgesehen sein.
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Bei der in 6 dargestellten Ausführungsmöglichkeit ist der elektrische Anschluss des Steuergeräts 300 an die Sensorvorrichtung 200 bzw. deren Sensordrähte 210 mithilfe der äußeren Anschlussdrähte 400 bewerkstelligt, wobei die äußeren Anschlussdrähte 400 quasi eine direkte elektrische Verbindung ausbilden, was auch als direkter elektrischer Anschluss des Steuergeräts 300 bezeichnet werden kann.
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In 8 ist eine Ausführungsmöglichkeit dargestellt, bei der quasi eine indirekte Verbindung des Steuergeräts 300 mittels eines am Unterfahrschutz 100 befestigten Mehrfachverbindungselements 430 vorgesehen ist. Dies kann auch als indirekter bzw. mittelbarer elektrischer Anschluss des Steuergeräts 300 bezeichnet werden. Die äußeren Anschlussdrähte 400 sind ausgehend von der Anschlusseinrichtung 230 bzw. den Kontaktierungselementen 235 bis zum Mehrfachverbindungselement 430 verlegt. (Die Anschlusseinrichtung 230 weist im Vergleich zu der in 6 gezeigten Ausführungsmöglichkeit eine andere Platzierung und Ausrichtung im Unterfahrschutz 100 auf.) Die elektrisch leitenden Verbindungen zwischen den äußeren Anschlussdrähten 400 und den Kontaktierungselementen 235 der Anschlusseinrichtung 230 können gemäß 6 oder 7 ausgeführt sein. Für die elektrische Verbindung zwischen dem Mehrfachverbindungselement 430 und dem Steuergerät 300 ist ein mehradriges Kabel 440 vorgesehen.
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BEZUGSZEICHENLISTE:
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- 100
- Unterfahrschutz (Verbundbauteil)
- 110
- Kernlage
- 120
- Decklage
- 130
- Decklage
- 140
- Rippe (Erhöhung)
- 200
- Sensorvorrichtung
- 210
- flächiger Träger
- 220
- Sensordraht
- 230
- Anschlusseinrichtung
- 231
- flexible Leiterplatte
- 232
- Leiterbahn
- 233
- erste Kontaktfläche
- 234
- zweite Kontaktfläche
- 235
- Kontaktierungselement
- 236
- Magnetelement
- 237
- Loch (Bohrung)
- 300
- Steuergerät
- 400
- äußere Anschlussdraht
- 410
- Kabelschuh
- 420
- Kontaktierungshilfselement
- 430
- Mehrfachverbindungselement
- 440
- mehradriges Kabel
- U
- Umriss
- V
- Faservlies
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017206663 A1 [0003]
- DE 1020211061717 [0004]
