-
Beschreibung
-
Beschleunigungs- und Neigungswinkelsensor Die Erfindung betrifft
einen Horizontalbeschleunigungs- und Neigungswinkelsensor der im Oberbegriff des
Anspruchs l definierten Art, der besonders zur Verwendung in Fahrzeugen geeignet
ist.
-
1. Beschleunigungssensor Es sind Beschleunigungssensoren bekannt,
die lediglich einen Beschleunigungswert in einer oder mehreren Richtungen registrieren
können und wie z.B. die bekannten Quecksilberschalter als Endanschlagschalter funktionieren.
-
Der erfindgungsgemäße Sensor kann demgegenüber in allen seinen Varianten
pro Richtung mehrere Beschleunigungswerte in diskreter oder kontinuierlicher Charakteristik
detektieren.
-
Bei den proportional arbeitenden Beschleunigungssensoren sind Ausführungen
bekannt, die entweder auf dem Feder-Masse-Prinzip oder dem Pendelprinzip beruhen.
Es sind Feder-Masse-Systeme mit nur geringfügiger Auslenkung der Masse bekannt,
die z.B. mit piezoelektrischen Drucksensoren oder mit Dehnungsmeßstreifen als Aufnehmer
ausgestattet sind. Diese Aufnehmer erfordern eine komplizierte und störanfällige
Auswertelektronik (z.B. Ladungsverstärker bei Piezo-Aufnehmern und zusätzliche Speicherelektronik).
Bei Masse-Feder-Systemen mit signifikanter Masse-Auslenkung kann man zwar prinzipiell
eine lineare Auslenkung der Masse im Verhältnis zur Beschleunigung erreichen, es
besteht jedoch die Schwierigkeit, die Abtastung der Masseposition ohne zusätzliche
mechanische Reibung, wie sie z.B. durch mechanische Kontakte entsteht zu gewährleisten
und die Systemreibung generell gering zu halten.
-
Eine Lösung dieses Problems ist für eine digitale Abtastung in den
Ansprüchen 1,3,5,6,7,8,9,10, 11 und 16 angegeben.
-
Pendelsysteme leiden darunter, daß die Meßwertaufnehmer, wenn sie
analog arbeiten sollen und keine zusätzliche Systemreibung bewirken sollen, recht
aufwendig sind. So ist z.B. ein analoges System dergestalt realisierbar, daß ein
als Pendel um eine Achse bewegliches Metallblättchen sich nach Maßgabe der auf es
einwirkenden Beschleunigungskraft um die Pendelachse relativ zu einem anderen Metallplättchen
in eine definierte Postion dreht und der dieser Position entsprechende Kapazitätswert
des aus den beiden Metallplättchen gebildeten Kondensators als Meßwert dient, oder
ein als Pendel ausgeführtes Plättchen mit hoher Dielektrizitätszahl in einen Plattenkondensator
nach Maßgabe der Beschleunigungskraft eintaucht oder umgekehrt der Plattenkondensator
als Pendel ein feststehendes Dielektrikum umschließt.
-
Eine andere Variante besteht in der Anwendung der in der Betriebsmeßtechnik
bekannten Tauchanker- oder Querankeraufnehmer auf das Pendel, indem z.B. ein als
Pendel aufgehängtes magnetisches Eisenstück nach Maßgabe der auf es einwirkenden
Horizontalbeschleunigungskraft in eine Spulenanordnung eintaucht und deren Induktivitätswert
verändert.
-
Für die Auswertung ergeben sich dann jedoch bei allen genannten Varianten
die bekannten Nichtlinearitäten bei der Umsetzung in eine beschleunigungsproportionale
Anzeige, die eine aufwendige Linearisierungsschaltung erforderlich machen. Dazu
kommt eine prinzipielle Nichtlinearität, die sich aus der Verwendung des Pendels
als Horizontalbeschleunigungsmesser ergibt, indem der Pendelausschlagswinkel bzw.
die Bogenlänge des Pendelausschlags einer Arkustangensfunktion folgt, wie weiter
unter erläutert ist.
-
Die genannen Nichtlinearitäten können bei digitaler Abtastung nach
Ansprüchen 6, 7, 8 und 9 in Verbindung mit der weiter unten beschriebenen Anordnung
vermieden werden. Bei einer Abtastung gemäß Anspruch 10 ist ebenfalls innerhalb
gewisser Grenzen eine Linearisierung durch Dehnung des Balkenrasters möglich.
-
Es bleiben jedoch auch dann noch weitere Nachteile bestehen, wie z.B.
-
die Erfordernis einer sorgfältigen Lagerung der Pend~lachse, wenn
auf lange Lebensdauer und Robustheit Wert gelegt wird, und die Schwierigkeit, eine
wirksame mechanische Dämpfung zu verwirklichen.
-
Diese Nachteile können durch die in Ansprüchen 1 und 4 niedergelegte
Anordnung vermieden werden.
-
Besonders die mit den Ansprüchen 1 und 4 definierten Varianten bieten
die signifikanten Vorteile des erfindungsgemäßen Sensors: - Linearität zwischen
einwirkender Beschleunigung und dem Ausgangssignal sowie beliebige Abhangigkeitsfunktionen
erzielbar - Entweder analog-proportionale oder digital-proportionale Charakteristik
zu verwirklichen - Für erschütterungsbehafteten Betrieb z.B. in Fahrzeugen geeignet
- Lebensdauer praktisch unbegrenzt - Der Sensor ist absolut wartungsfrei - Mittels
einer wahlweise im Gehäuse befindlichen Dämpfungsflüssigkeit kann die Dämpfung je
nach Viskonität beliebig eingestellt werden - Die Herstellung ist äußerst kostengünstig
Die erfindungsgemäßen Vorzüge gestatten endlich die Massenfabrikation preisgünstiger,
robuster Beschleunigungsmesser für Fahrzeuge.
-
1.2 Prinzip der erfindungsgemäßen Beschleunigungssensoren Im folgenden
soll das physikalische Prinzip des erfindungsgemäßen Sensors nach Ansprüchen 1 bis
17, exkl. 3 und ll, erläutert werden, wobei davon ausgegangen wird, daß die Variante
nach Anspruch 3 und 11 keiner speziellen Erläuterung bedarf.
-
Der erfindungsgemäße Beschleunigungssensor nach Ansprüchen 1 bis 17
exkl. 3 und ll, stellt eine Modifikation des physischen Pendels als Horizontalbeschleunigungsmesser
dar. Die Funktionsweise soll anhand der Fig. 8 verdeutlicht werden. Auf die mittels
z.B. eines Stabs 5 oder eines Seils oder eines ähnlichen Führungsmediums der Länge
r an den Drehpunkt D gefesselte Masse m wirken die Erdbeschleunigung g = 9,81 m/s2
in vertikaler Richtung und die zu messende Horizontalbeschleunigung a in horizontaler
Richtung. Es stellt sich ein Auslenkwinkele; des Pendelszur Vertikalen V ein, die
der Beziehung α =arctus g gehorcht. Die gleiche Beziehung gilt - unter Einbeg
ziehung eines konstanten Faktors - für die Länge b des Kreisbogens, der von O; eingeschlossen
wird.
-
Die Nichtlinearität wird vor allem für Horizontalbeschleunigungen
a > g kritisch. Mit zunehmendem Beschleunigungswert a wird die differentielle
Auslenkung der Masse immer geringer und die für die Meßwertbildung verfügbare Weglänge
b zunehmend komprimiert.
-
Wird der Neigungswinkel Ot des Pendels als Ausgangswert zur Bestimmung
der Horizontalbeschleunigung verwendet, dann sind zur Linearisierung zusätzliche
Maßnahmen erforderlich: - Bei analoger Abtastung muß entweder der Meßwertumsetzer
eine inverse, nichtlineare Charakteristik vorzugsweise der Funktion y = tan x aufweisen
oder der analoge Meßwert in einer Rechenschaltung linearisiert werden.
-
- Bei digitaler Abtastung Cz.B. mittels einer Reihe von Lichtschranken
entlang der Kreisbahn, die die Masse m beschreibt) bietet sich eine kontinuierliche
Verringerung der Abstände d der einzelnen Meßpunkte entlang der Kreisbahn der Masse,
z.B.
-
gemäß der Funktion d = k . tanCk (k = konstanter Faktor) an.
-
Dann muß aber für jedes Abtastelement an seinem Ausgang ein Zwischenspeicher
vorgesehen werden.
-
In beiden genannten Fällen ist trotz Linearisierung die Genauigkeit
bei höheren Beschleunigungswerten a >g denkbar gering.
-
Einen Ausweg-bietet die Lösung nach Fig. 9, die Meßpunkte P entlang
einer horizontalen Geraden g zu setzen und z.B. bei optischer Abtestung durch Lichtschranken
das Führungsmedium als breiten Stab S auszubilden, der z.B. stets mindestens zwei
der Lichtschranken zum Ansprechen bringt, die mit gleichen Abständen längs der Geraden
g angebracht sind.
-
Wegen der nun linearen Abhängigkeit zwischen a und 1 ergibt sich dann
eine Linearität des durch die Abtastelemente angezeigten digitalen Ausgangswertes.
Ersetzt man die Gerade g durch eine gekrümmte Kurve, so sind auch andere Funktionen
zwischen Eingangs- und Ausgangsgröße erzielbar.
-
Signifikante Vorteile gegenüber den bisher beschriebenen Varianten
zeigt die erfindungsgemäße Variante nach Ansprüchen 1 und 4.
-
Die Masse m wird bei dieser Variante nicht mittels eines Führungsmediums
an einen Drehpunkt gefesselt, sondern läuft - als Kugel oder Perle oder Zylinder
ausgebildet - in einer beiderseits geschlossenen Röhre, die in einer Dimension gekrümmt
ist.
-
Die Art der Krümmung der Röhre bestimmt das Verhältnis von einwirkender
Horizontalbeschleunigungskraft und der ihr entsprechenden Position der beweglichen
Masse.
-
Je nach gewähltem Krummerungsverlauf der Röhre sind nun beliebige
Abhängigkeitsfunktionen zwischen der Beschleunigung a und der Auslenkung b der Masse
aus ihrer Ruhelage erzielbar.
-
Will man exakte Linearität zwischem dem Bogenstück der Länge b, an
dessen Endpunkt die Masse bei einer bestimmten anhaltenden Horizontalbeschleunigung
zu stehen kommt, und dem Wert der Horizontalbeschleunigung erhalten, so gilt für
den Verlauf der Röhrenkurve die Forderung:
(dh: differentieller Kurvenanstieg in vertikaler Richtung dx: differentieller Kurvenanstieg
in horizontaler Richtung k: Proportionalitatsfaktor ,Ik\ = d.h. die Steigung der
Röhrenkurve muß in jedem Punkt proportional der bis zu diesem Punkt gemessenen Bogenlänge
sein.
-
Die Lösung der Gleichung führt zu der als "Kettenlinie bekannten Funktion:
(Scheitel im Nullpunkt) In Fig. 10 sind zum Vergleich die Kurven für einen kreisförmigen
Röhrenverlauf 11 (Radius r) und einem Verlauf gemaß der Kettenlinie 12 abgebildet.
Für die Beschleunigungswerte a = 1,2 und 3 sind die entsprechenden Kurvenpunkte,
die eine frei in einer Röhre des entsprechenden Verlaufs bewegliche Masse einnimmt,
eingezeichnet.
-
2. Neigungswinkelsensor 2.1 Stand der Technik Es sind Neigungswinkelsensoren
bekannt, die als Sensorelement eine Libelle enthalten, die als Endanschlagsschalter
funktioniert, indem z.B. eine Quecksilberperle, die sich im Innern der Libelle bewegt,
zwei elektrisch leitfähige Stifte an einem Ende der Libelle kurzschließt, wenn die
Libelle nicht exakt waagrecht steht.
-
Diese Art von Sensoren können jeweils nur einen definierten Neigungswinkel
anzeigen und müssen für jeden anzuzeigenden Neigungswert in einem Gehäuse gedreht
werden. Der erfindungsgemäße Sensor ist dagegen dadurch gekennzeichnet, daß er für
jeden Neigungswinkel des Gerätes, in das er eingebaut ist, eine wertdiskrete oder
wertkontinuierliche Ausgangsgröße erzeugt, die dem Neigungswinkel proportional ist.
-
Es sind ferner Neigungswinkelsensoren bekannt, bei denen in einer
U-förmig gebogenen Röhre eine leitfähige Flüssigkeit je nach Neigung der Röhre an
den Schenkeln der Flüssigkeitsstand steigt oder fällt und je nach Flüssigkeitsstand
eine definierte Zahl von Kontakten an den Schenkeln der Röhre kurzgeschlossen werden.
-
Diese Geräte haben den Nachteil, daß der Messumfang (Größe des detektorbaren
Winkels) äußerst gering ist, daß die U-förmige Röhre oben offen sein muß, um einem
Druckausgleich zu erhalten und'daß sich das Ausgangssignal stark nichtlinear zur
Meßgröße verhält.
-
Die erfindungsgemäßen Varianten des Neigungswinkelsensors besitzen
demgegenüber den Vorteil, daß der Meßumfang bei Neigungsmessung in einer Ebene bis
360" betragen kann oder bei der Variante nach Anspruch 15 sogar zusätzlich die Neigungsrichtung
detektiert werden kann.
-
Ferner kann die interessierende Winkellage wahlweise digital oder
analog - je nach der gewählten Variante des erfindungsgemäßen Sensors -ausgegeben
werden.
-
Die Abhängigkeit zwischen Ausgangsgröße und Neigungswinkel kann einer
beliebigen Funktion folgen. Vorzugsweise wird man jedoch eine lineare Abhängigkeit
einstellen.
-
2.2 Prinzip der erfindungsgemäßen Neigungswinkel-Sensoren Die erfindungsgemäßen
Neigungswinkel-Sensoren beruhen auf dem Prinzip, daß die in den Ansprüchen genannte
bewegliche Masse durch Einwirken der Erdbeschleunigung sich stets auf die in vertikaler
Richtung tiefstmögliche Position einstellt, während das Gehäuse des Sensors bzw.
-
die Abtastelemente fest an dem Gegenstand, dessen Neigung zur Horizontalen
oder Vertikalen gemessen werden soll, angebracht sind und sich mit diesen neigen.
Das Gehäuse nach Anspruch 4 wird dazu vorzugsweise kreisförmig oder als Kreisbogen,
das Gehäuse nach Anspruch 14 als Halbkugelkalotte oder Kugelkalotte ausgeführt,
um eine lineare Charakteristik bei äquidistanter Abtastung zu erhalten.
-
3. Meßwertbildung Bei der Abtastung gemäß Ansprüchen 12 und 13 wird
die Perle z.B. aus flüssigem Metall je nach ihrer Lage auf dem Widerstandsdraht
ein definiertes Stück des Widerstandsdrahtes kurzschließen und damit einen lageproportionalen
Innenwiderstand des Sensors erzeugen.
-
Die Auswertung kann mit einer üblichen Operationsverstärkerschaltung
nach Fig. 11 erfolgen, wobei der variable Schleifwiderstand R5 im Rückkopplungszweig
liegt. Die Ausgangsspannung UA des Operationsverstärkers ist dann mit der Funktion
gegeben und kann entweder direkt analog (z.B. über ein Drehspulwerk) oder mittels
z.B. eines preiswerten Ramp-Staircase-Analog-Digital-Umsetzers, der zusätzlich als
Peak Detektor wirken kann) in einen digitalen Wert übertragen werden und digital
wie weiter unten angegeben angezeigt werden.
-
Bei der Variante nach Anspruch 12 kann ähnlich verfahren werden, es
ist aber auch eine Auswertung ohne Verstärkung möglich (Fig. 12).
-
Die bewegliche Quecksilberperle greift in jeder Position einen bestimmten
Teil der Referenzspannung URef ab, die an dem Widerstandsdraht RW angelegt ist und
gibt ihn über den leitfähigen Draht und den Eingangswidertstand RE direkt oder über
einen Umformer an eine Anzeigeeinheit weiter.
-
RE sollte möglichst hochohmig sein, um eine lineare Ausgangskennlinie
zu erhalten.
-
Bei den Varianten-nach Ansprüchen 5,6,7,8,9,14 und 15 werden die diskreten
Abtastelemente (Drahtringe, Lichtschranken usw.) z.B. in solchem Abstand voneinander
angebracht bzw. die bewegliche Masse so dimensioniert, daß sie stets zwei Abtastelemente
ansprechen läßt. Die Ausgänge der diskreten Abtastelemente werden dann über eine
einfache Prioritätsschaltung geführt, die den höheren Wert anwählt, so daß stets
ein Wert angezeigt wird.
-
Können- die Abtastelemente nicht äquidistant angebracht werden (z.B.
wenn eine nichtlineare Funktion vorliegt oder angestrebt wird) oder ist eine Skalierung
mit nur wenigen Abtastelementen erwünscht, so kann die Masse so dimensioniert werden,
daß sie nur jeweils ein Abtastelement zum Ansprechen bringt. Dann ist allerdings
ein elektronischer Zwischenspeicher erforderlich.
-
Die Anzeige des Wertes kann direkt z.B. mittels einer LED oder LCD-Kette
oder über eine Codierschaltung durch ein LED- oder LCD-Display mit Dezimalziffern
oder Symbolen erfolgen.
-
4. Systemdämpfungsmaßnahmen Neben der in Anspruch 16 beschriebenen
mechanischen Systemdämpfung sind auch elektronische Dämpfungsmaßnahmen anwendbar.
-
Das empfiehlt sich u.a. für den Einsatz der Sensoren in Kraftfahrzeugen,
wo sie Fahrwerkstößen infolge von Fahrbahnunebenheiten ausgesetzt sind.
-
Für die analoge Meßwertbildung ist dies mit einem Tiefpaß z.B. am
Eingang des Meßverstärkers zu realisieren.
-
Für die digitale Abtastung empfiehlt sich eine Schaltung, wie sie
ausschnittsweise für drei Abtastelemente in Fig. 13 dargestellt ist. Wird beim Einschalten
z.B. das mittlere Abtastelement A von der beweglichen Masse angesprochen, dann startet
die Abtastschaltung AS ein Monoflop M und setzt zugleich das zugehörige Latch L.
Bewegt sich die bewegliche Masse z.B. infolge von Erschütterungen innerhalb der
Blockzeit des Monoflop zum nächsten Abtastelement und läßt es ansprechen, dann wird
dessen Signal nicht vom dazugehörigen Latch ubernommen. Eine langsame Bewegung der
Masse wird dagegen registriert, das zugehörige Latch gesetzt und die anderen Latches
rückgesetzt. Die Anzeige übernimmt dann den neuen Wert.
-
(Latch-Steuerung und Anzeigesteuerung sind der Übersichtlichkeit halber
nicht eingezeichnet) Mit der beschriebenen Schaltung lassen sich auch Schwingungen
der beweglichen Masse, die von Fahrbahnstößen hervorgerufen werden elektronisch
ausblenden, wenn die Haltezeit der Monoflops auf die Eigenfrequenz der beweglichen
Masse abgestimmt wird.
-
5. Anwendungen Die im folgenden genannten Anwendungsbeispiele sind
Bestandteil der Ansprüche.
-
5.1 Beschleunigungs-Sensor Im folgenden werden fünf Beispiele für
den Einsatz des erfindungsgemäßen Beschleunigungs-Sensors beschrieben.
-
5.1.1 Quer- und Längsbeschleunigungs-Meßgerät für allgemeine Fahrzeuganwendungen,
insbesondere aber für gummibereifte Kraftfahrzeuge Das Gerät soll simultan die Querbeschleunigung
bei Kurvenfahrt sowie die Längsbeschleunigung (Bremsbeschleunigung sowie Antriebsbeschleunigung)
anzeigen.
-
Hierzu sind in einer einfachsten Anordnung z.B. eine Sensor-Röhre
nach Anspruch 4 in Fahrtrichtung, eine andere quer zur Fahrtrichtung in einem Gerät
untergebracht.
-
Ein Sensor zeigt die Querbeschleunigung, ein anderer die Längsbeschleunigung
(Bremsen und Antrieb) an. Die Anzeige kann wie bereits beschrieben erfolgen.
-
Nach Untersuchungen werden bei gummibereiften Kfz auf trockener Fahrbahn
max. Brems- und Querbeschleunigungen von 7 ... 10 m/s2 erreicht. Die Neigungswinkel
des Fahrzeugaufbaus erreichen bei diesem Maximalwert dabei Werte um 100 (mit Ausnahme
einiger spezieller französischer Pkw). Es empfiehlt sich daher, die Röhrenkurve
als idealen Kreisbogen auszubilden, da der auftretende Linearitätsfehler gerade
die durchschnittliche Aufbauneigung kompensiert. Der Kreisbogen-Segmentwinkel muß
bei a P5 g, wie hier vorliegend, etwa 900 betragen.
-
5.1.2 Bremsbeschleunigungsmesser und Fahrbahnzustandsmelder Das Gerät
soll die erreichbare Bremsbeschleunigung insbesondere bei gummibereiften Kfz detektieren
und damit eine Beurteilung der Bremsanlage, insbesondere aber des Fahrbahnzustandes
ermöglichen.
-
Hierzu muß der Fahrer die Betriebsbremse ganz kurz bis zum Blockierpunkt
betätigen, wie es erfahrene Fahrer praktizieren, um den Fahrbahnzustand zu testen.
-
Der während des kurzzeitigen Bremsens erreichte max. Beschleunigungswert
wird durch das Gerät detektiert und z.B. in digitaler Weise mittels einer LED- oder
LCD-Kette oder mittels Ziffernanzeige angezeigt. Bei Unterschreiten eines kritischen
Grenzwertes kann auch eine akustische Warnvorrichtung (z.B. ein Summer) zum Ansprechen
gebracht werden. Hierzu muß allerdings der Meßvorgang mit einem Tastendruck initiiert
werden.
-
Als Detektor wird z.B. ein Sensor nach Anspruch 4 verwendet. Die Röhre
muß hier nur einen 450 Kreissegmentwinkel umfassen (Fig. 14). Vorteilhafterweise
wird in das untere Röhrenende ein elastisch verformbares Plättchen P als dämpfendes
Pufferelement eingesetzt, um ein starkes Ruckprallen der Masse vom unteren Röhrenende
zu vermeiden. Zur Auswertung des Signals wird vorteilhafterweise eine elektronische
Speicherschaltung verwendet, die z.B. den während eines Zeitintervalls von 2 Sekunden
auftretenden Maximalwert speichert und anschließend für 2 Sek. anzeigt, während
die Abtastung z.B. mit einer Frequenz von 1 kHz vor sich geht.
-
Die dazu erforderliche elektronische Schaltung ist wenig aufwendig
und preisgünstig aufzubauen.
-
Im folgenden sind vom Verfasser gemessene Erfahrungswerte für Bremsbeschleunigungswerte
für Pkw bei verschiedenen Fahrbahnzuständen wiedergegeben:
Werte
in m/s2 Glatteis 1,0 bis 1,5 Schnee 1,5 bis 2,5 Kopfsteinpflaster naß 4,0 bis 5,5
Kopfsteinpflaster trocken 5,5 bis 6,5 Asphalt oder Beton naß 5,0 bis 6,5 Asphalt
oder Beton trocken 6,5 bis 7.5 Alle Werte mit Sommergürtelreifen, Profiltiefe ca.
5 mm.
-
Die Anzeige kann auch so komzipiert sein, daß die verschiedenen Fahrbahnzustände
z.B. mit verschiedenfarbigen LEDs oder auch in Symbolen angezeigt werden.
-
5.1.3. Fahrtdaten-Recorder zur Unfallrekonstruktion Ein häufig geäußerter
Wunsch der Unfallforschung und Verkehrsrechtsprechung ist die Einführung von Geräten
zum Einbau in Kfz, die eine Rekonstruktion des Unfallhergangs ermöglichen.
-
Die Einführung scheiterte bisher, was die technisch-merkantile Seite
des Projekts betrifft, an den Preisen für digitale Speicher, die aus Gründen der
Robustheit und Langlebigkeit monolithische Halbleiter-Festspeicher sein müssen,
vor allem aber wegen des Fehlens preiswerter, langlebiger und wartungsfreier Beschleunigungs-Sensoren.
Der erfindungsgemäße Sensor füllt diese Lücke aus.
-
Der Preissturz bei Halbleiterspeichern löst auch das Kostenproblem
bei der Speicherung.
-
Bei dem erfindungsgemäßen Fahrtdaten-Recorder kann neben den aus dem
Tachometergenerator abgeleiteten Geschwindigkeitswert die in Anwendung 5.1 bezeichneten
Beschleunigungswerte gespeichert werden.
-
Die Bremsbeschleunigungswerte während oder vor einem Unfallhergang
sind besonders beim Blockieren der Räder von Bedeutung, da dann keine Geschwindigkeitsdaten
mehr zur Verfügung stehen. Die Querbeschleunigungswerte zeigen z.B. Lenkbewegungen
des Fahrers während der Fahrt an oder Aufprallvorgänge quer zur Fahrtrichtung. Sie
Sensoren können auch unterschiedliche Endwerte für die Längs- und Querrichtung und
eine nichtlineare Charakteristik besitzen.
-
Die Konzeption des Gerätes geht davon aus, daß z.B. mit dem Einschalten
der Kfz-Zundanlage ein Halbleiterspeicher ständig mit den bezeichneten digitalen
Fahrtdaten geladen wird. Die neu eingelesenen Werte schieben ständig die zeitlich
am weitesten entfernten (ältesten) Daten aus dem Speicher. Der zeitliche Speicherumfang
kann z.B. 10 sec betragen.
-
Signalisiert ein Beschleunigungssensor das Überschreiten einer Grenzbeschleunigung
durch einen Aufprall (bei z.B. 3 g), dann wird entweder der Speichervorgang sofort
unterbrochen (sog. Pre-Triggering) und es stehen dann die Beschleunigungswerte z.B.
der letzten 10 sec im Speicher.
-
Oder es wird Pre-Triggering mit (z.B. 5 sec) Verzoger.ung vorgenommen.
-
Dann stehen die Werte sowohl für eine gewissen Zeit (z.B. 5 sec) vor
als auch nach dem Aufprall im Speicher.
-
Letztere Variante empfiehlt sich, um komplexere Unfallhergänge mit
mehreren Aufprallern usw. aufzuzeichnen.
-
5.1.4. Triggerelement für Kfz-Insassen-Sicherungsvorrichtungen Der
erfindungsgemäße Sensor kann auch als Auslöseelement für diverse Sicherungsmechanismen
im Kfz, wie Sicherheitsgurte, Prallsack oder Warnblinker eingesetzt werden, deren
Auslösung von einem bestimmten Beschleunigungsgrenzwert abhängig sein soll. Er besitzt
gegenüber den bekannten Einpunkt-Auslöseelementen den Vorteil, daß der Auslösepunkt
variabel und leicht einstellbar sein kann. Die sonstigen Vorteile wie Robustheit
und lange Lebensdauer wurden schon erwähnt.
-
5.1.5. Diebstahlswarnanlage für Kfz Der erfindungsgemäße Sensor bietet
sich auch -als auslösendes Detektorelement für eine Diebstahlswarnanlage an. Er
spricht bei eingeschalteter Anlage dann an, wenn ein wählbarer Beschleunigungswert
z.B. beim Anfahren in Fahrtrichtung oder quer zur Fahrtrichtung überschritten wird.
-
Das Gerät kann auch als Kombination mit der Anwendung 5.1.1 ausgeführt
sein.
-
5.2. Neigungswinkelsensor Die Anwendung des erfindungsgemäßen Neigungswinkelsensors
in Neigungswinkelmessern kann überall dort erfolgen, wo bisher andere Verfahren
zur Neigungswinkelmessung mittels mechanisch-elektrischer Umsetzung verwendet wurden,
die die erfindungsgemäßen Vorteile nicht besitzen, besonders aber als Meßwertgeber
für elektronische Regelungen, die die Neigung eines Gegenstandes zur Vertikalen
bzw.
-
Horizontalen als Regelgroße beinhalten.
-
Im folgenden werden zwei Einsatzbeispiele für den erfindungsgemäßen
Neigungswinkelsensor beschrieben:
5.2.1. Miniatur-Spielzeugfahr-
oder Motorrad mit einer Puppe als Fahrer und naturgetreuer Balancierung Es sind
zweirãdrige Miniatur-Spielzeugfahrräder bekannt, die mit einer Puppe als Fahrer
versehen sind und die verschiedene passive mechanische Stabilisierungselemente besitzen,
die das manuell angeschobene Fahrrad für eine gewisse Zeit in aufrechter Position
halten sollen.
-
Das erfindungsgemäße Spielgerät ahmt dagegen die Balancierung nach,
die ein Mensch als Radfahrer reflexartig ausführt, indem er z.B.
-
bei Geradeausfahrt geringfügige Neigungen zur Horizontalen durch Lenkbewegungen
ausgleicht.
-
Die Hauptbestandteile des erfindungsgemäßen Spielgeräts sind ein möglichst
naturgetreues zweirädriges Miniaturfahr- oder Motorrad mit einer Puppe als Fahrer,
ein Motor fur-den Vortrieb des Fahrrades, eine Batterie als Stromversorgung, ein
Motor mit Reduktionsgetriebe zur Lenkung des Fahrrades, ein erfindungsgemäßer Neigungswinkelsensor
und eine digitale oder analoge Regeleinheit zur Lenkung und damit Balancierung des
Fahrrades.
-
Die elektrischen Systeme sind vorzugsweise im Körper der Puppe untergebracht.
Der Vortrieb des Fahrrades kann entweder vom Antriebsmotor auf dem Sattel über eine
unauffällige Antriebsrolle z.B. unterhalb des Sattels auf das Hinterrad erfolgen,
die von der Kleidung der Puppe verdeckt wird oder mittels einer Welle, die auf das
vordere Kettenrad oder die Hinterradnabe wirkt und die in den Rahmenrohren verborgen
ist oder durch einen Kurbelmechanismus, der das Fahrrad über die Beine der Puppe
antreibt.
-
Eine naheliegende Variante besteht darin, den Antriebsmotor auf einen
Gepäckträger über einem Hinterrad zu montieren und ihn in einem Miniaturkorb oder
ähnlichem Behälter zu verbergen. Der Antrieb kann dann wieder über eine kleine unauffällige
Rolle unterhalb des Behälters direkt auf das Hinterrad geschehen.
-
Die Steuerung erfolgt über die Arme der Puppe, wie in der Draufsicht
in Fig. 18 schematisch dargestellt.
-
Auf der Achse eines auf dem Sattel 13 installierten Getriebsmotors
14 ist eine Querstange 15 mittig verschraubt. An den Enden der Querstange, die die
Schulterknochen der Fahrers nachahmt, sind als Arme zwei Längsstangen beweglich
gelagert, die mit ihrem anderen Ende ebenfalls beweglich am Fahrradlenker 17 befestigt
sind.
-
Die Lenkung bzw. Balancierung des Fahrrades geschieht sodaß mittels
eines Neigungswinkelsensors die Neigung des sich vorwärts bewegenden Spielgerätes
zur Vertikalen festgestellt wird und bei Abweichen von einem einstellbaren Referenzwert
z.B. ein als Regler beschalteter preiswerter-Operationsverstãrker dem Steuermotor
über einen Verstärker einen neigungsproportionalen Spannungswert zuerteilt, der
wiederum über das beschriebene Gestänge das Vorderrad zu einer definierten Korrektur-Auslenkung
nach links oder rechts veranlaßt.
-
Der Referenzwert des Neigungswinkelsensors ist einstellbar, so daß
man das Fahrrad auch permanent in einem Kreis mit wählbarem Radius fahren lassen
kann. Ferner ist mittels einer zusätzlich eingebauten Programmsteuerung das Abfahren
von Figuren, z.B. einer Acht, möglich.
-
Mit geringem Aufwand ist auch eine Fernsteuerung über Funk oder Infrarot
oder Ultraschall möglich. Hierbei wirkt die Fernsteuerung entweder auf die einstellbare
Referenzneigung oder direkt auf den Steuermotorverstärker.
-
5.2.2. Neigungswinkel- und Querbeschleunigungs-Messgerät für einspurige
Fahrzeuge Bei einspurigen Fahrzeugen, z.B. bei einem Motorrad, wird die in der Kurvenfahrt
auftretende Querbeschleunigung mittels einer Neigung des Fahrzeuges kompensiert.
Die Verhältnisse zeigt Fig. 16.
-
Das Fahrzeug sei mit seiner Mittellinie M um einen WinkeleW zur Vertikalen
geneigt. In seinem Schwerpunkt S greifen die von der Erdbeschleunigung g und der
Horizontalbeschleunigung a herrührenden Kräfte an. Die Beschleunigungsvektoren lassen
sich in die Normalkomponenten zur Mittellinie a bzw. g zerlegen, die in jedem n
n Fahrtzustand betragsmäßig gleich sein müssen, um eine quasistabile Lage des Fahrzeugs
zu ermöglichen, sowie die in Richtung der Mittellinie zum Fußpunkt F hin verlaufenden
Komponenten af und Eine einfache trigonometrische Betrachtung führt zu den Bestimmungsgleichungen
af =a.tan α und gf= gn.cot WeGenn = gn undgn= g . sinq α erhält man
sf = af + gf = tanα + gn cotα = gn (tanα + cotα ) = g/cosα
und schließlich α = arccosg/sf; sf Wegen tanα = a und α = arccos
gwird a = g . tanα = g . tan arccos g sf sf Die beiden genannten Funktionen
= =arccos t und a =g tan arccos sf beschreiben die Abhängigkeit des anzuzeigenden
Neigungswinkels bzw.
-
der anzuzeigenden Querbeschleunigung von dem (festen) Erdbeschleunigungswert
und der (variablen) Summe der Fußpunktvektoren sf.
-
Der variable Wert sf dient bei dem erfindungsgemäßen Gerät als Hilfsmeßgröße,
der Wert g als Vergleichgröße. Zur Meßwertaufnahme wird ein Beschleunigungssensor
gemäß Anspruch 3 verwendet. Das röhrenförmige Gehäuse wird so in das Fahrzeug eingebaut,
daß seine Längsachse bei aufrecht stehendem Fahrzeug vertikal verläuft.
-
Die im Gehäuse befindliche Masse bewegt sich bei Einwirken der beschriebenen
Fußpunktvektorkräfte im Gehäuse zwischen den Schraubenfedern auf und ab. Eine der
beiden Federn kann bei dieser Anwendung des Sensors nach Anspruch 3 auch entfallen,
so daß z.B.
-
die bewegliche Masse nur von unten von einer Feder getragen wird.
-
Bei ruhendem und aufrechtstehendem Fahrzeug wirkt nur die Erdbeschleunigung
g auf die bewegliche Masse und läßt sie nach Maßgabe der entgegenwirkenden Federkraft
eine definierte Ruhelage einnehmen. Bei Kurvenfahrt wird die bewegliche Masse gegen
die Feder zusätzlich nach unten gedrückt und nimmt je nach Querbeschleunigungswert
eine dementsprechend definierte Position ein.
-
Bei Kurvenfahrt von gummibereiften Einspurfahrzeugen werden erfahrungsgemäß
Querbeschleunigungswerte von 1 g selten überschritten.
-
Bei ideal linearer Federcharakteristik erreicht hierbei der Anschlag
der Masse nach unten den \1 2-fachen Wert der Ruhelage, von dem Endpunkt der entspannten
Feder aus gemessen.
-
Für die Abtastung der Masseposition können z.B. die in Ansprüchen
6, 7, 8, 9 und 11 dargelegten Abtastverfahren angewandt werden, vorzugsweise jedoch
das Lichtschrankenprinzip nach Anspruch 7.
-
Die Abstände zwischen den diskreten Abtastelementen sollen den oben
beschriebenen Funktionen entsprechen, so daß die Distanz zweier Abtastelemente einem
linearen Teilungswert der anzuzeigenden Größe (Neigungswinkel oder Beschleunigungswert)
entspricht.
-
Es empfiehlt sich, die oben erwähnte digitale Dämpfungsschaltung zu
verwenden, zumal eine Zwischenspeicherung in jedem Falle erforderlich ist.
-
Es kann zusätzlich ein Spitzenwer detektor mit Langzeitspeicher eingebaut
werden, der den in einer Kurve erreichter, Maximalwert registriert und speichert.