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Sicherheit und Fahrdynamik

Was leisten Niveausensoren?

Sicherheit und Fahrdynamik: Niveausensoren müssen viel leisten.
© Pavel Chagochkin | Shutterstock.com

Niveausensoren werden in hohen Stückzahlen zur Leuchtweiten- und Fahrwerksregulierung eingesetzt. Doch wie funktionieren solche Sensoren, welche Informationen messen sie und was sind ihre Besonderheiten?

Autonom fahrende Fahrzeuge des zukünftigen Level 5 benötigen eine deutlich höhere Anzahl von Sensoren. Diverse dafür notwendige Sensortypen befinden sich noch in der Entwicklung. Andererseits sind viele Funktionen bereits heute in Level-2- und Level-3-Fahrzeugen im Einsatz, unter anderem für Komfort - und Fahrerassistenzsysteme. So werden für Fahrdynamik und Sicherheit eines Pkw 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.

Sensorauswertung für Komfort- und Sicherheitsfunktionen

Moderne Fahrzeuge erhalten viele neue Funktionen, die dem Fahrer assistieren. Manche 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 (Bild 1).

Die dynamische Fahrwerksregulierung dient dazu, gleichermaßen Sicherheit und Komfort des Fahrzeugs zu verbessern. Der Fahrer wählt das für ihn angenehme »Fahrgefühl« aus, wie sportliches Fahren für dynamische Fahrten oder Komfort, beispielsweise für Langstreckenfahrten. 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 Xenon- und LED-Technologien eine sehr viel größere Reichweite als herkömmliche Halogensysteme und die Gefahr des Blendens anderer Verkehrsteilnehmer ist verstärkt gegeben. Daher besagt eine EU-Vorschrift, dass für Fahrzeuge mit Scheinwerfern stärker als 2000 lm eine dynamische Leuchtweitenregulierung 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 so schwer, 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 Auto zusätzlich durch dynamische Effekte, zum Beispiel durch Bodenunebenheiten verändert. Um die Reichweiten und Höhenregulierung der Frontscheinwerfer dynamisch an die Straßenverhältnisse anzupassen, messen Levelsensoren kontinuierlich das Fahrzeugniveau, deren Information dann ähnlich wie bei der Fahrwerksregulierung an die Steuergeräte weitergleitet werden.

Bild 1. Sicherheits- und Komfortfunktionen in aktuellen Fahrzeugen.
Bild 1. Sicherheits- und Komfortfunktionen in aktuellen Fahrzeugen.
© Swoboda

Funktionsweise eines Niveausensors

Für die beschriebenen Funktionen nehmen Niveausensoren die Fahrwerksinformationen auf. Wie arbeiten diese Sensoren? Ein Niveausensor, auch als Level- oder Drehwinkelsensor bezeichnet, ist für die Erfassung einer Winkeländerung des Querlenkers eines Kfz konzipiert, eines bei der Einzelradaufhängung an Fahrzeugen quer zur Fahrtrichtung angeordneten Verbindungselements. Querlenker 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 rotierende 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 und 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 das Signal. Je nach Kunde, Steuergerät und Fahrwerk, kann die Transfer-Funktion unterschiedlich sein. Sie 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 seit fast vierzehn Jahren Niveausensoren. Inzwischen produziert das Unternehmen bereits die dritte Generation an Niveausensoren.

Der Einsatz des Drehwinkelsensors ist natürlich unabhängig von der Wahl des Antriebs. Die Sensoren werden sowohl in Fahrzeugen mit Verbrennungsantrieb als auch in 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.

 

 

Klaus Lebherz, Swoboda.
Klaus Lebherz, Swoboda.
© Swoboda

Der Autor

Klaus Lebherz
legte 1999 an der Universität Stuttgart im Studiengang Elektrotechnik sein Diplom ab, gefolgt von einem MBA in München. Seit fast 20 Jahren ist Klaus Lebherz in Systementwicklung und Produktmarketing tätig, unter anderem bei Harman im Bereich Infotainment und Navigation. Seit 2018 ist er bei Swoboda Technologies und ist dort global verantwortlich für Produktstrategie und Geschäftsfeldentwicklung im Bereich Sensorik und Elektronik.


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