Sensoren im Kraftfahrzeug

217 Pages·2016·7.09 MB·German

by  Konrad Reif (eds.)

Bosch Fachinformation Automobil
Konrad Reif Hrsg.
Sensoren im
Kraftfahrzeug
3. Auflage
Bosch Fachinformation Automobil
Reihenherausgeber
K.Reif,Ravensburg,CampusFriedrichshafen,DualeHochschuleBaden-Württemberg,
Friedrichshafen,Germany
BOSCH Fachinformation Automobil enthält das Basiswissen des weltweit größten Au-
tomobilzulieferersausersterHand.AnwendungsbezogeneDarstellungensinddasKenn-
zeichendieserBuchreihe.GanzaufdenBedarfanpraxisnahemHintergrundwissenzuge-
schnitten,findetderAuto-FachmannausführlicheAngaben,diezumVerständnismoder-
ner Fahrzeuge benötigt werden. Sie eignet sich damit hervorragend für den Alltag des
Entwicklungsingenieurs, für die berufliche Weiterbildung, für Lehrgänge, zum Selbst-
studium oder zum Nachschlagen in der Werkstatt. Alle Informationen sind so gestaltet,
dass sich auch ein Leser zurechtfindet, für den das Thema neu ist. Die bedarfsgerech-
te Angebotspalette beginnt beim Kraftfahrtechnischen Taschenbuch, das als handliches
Nachschlagewerkden kompaktenEinblick in die aktuelle Fahrzeugtechnikbietet. Einen
umfassenden Einblick in größere, zusammenhängende Themengebiete bieten die aus-
führlichen Fachbücher im gebundenen Hardcover-Umschlag. Anschauliche Detailinfor-
mationen mit deutlich reduziertem Umfang werden, im flexiblen Einband, zu konkreten
Aufgabenstellungen erklärt. Kleinere Lernhefte zu thematisch abgegrenzten Wissensge-
bieten stehen in den Lernordnern „Automobilelektronik lernen“ und „Motorsteuerung
lernen“bereit.
WeitereBändedieserReihefindenSieunterhttp://www.springer.com/series/12435
Konrad Reif
Herausgeber
Sensoren im Kraftfahrzeug
3. Auflage
Herausgeber
Prof. Dr.-Ing. KonradReif
DualeHochschuleBaden-Württemberg
Ravensburg, CampusFriedrichshafen
Friedrichshafen,Deutschland
[email protected]
BoschFachinformationAutomobil
ISBN978-3-658-11210-3 ISBN978-3-658-11211-0(eBook)
DOI10.1007/978-3-658-11211-0
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speicherungundVerarbeitunginelektronischenSystemen.
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rechtigtauchohne besondereKennzeichnung nichtzuderAnnahme, dasssolcheNamen imSinneder
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Vorwort Ӏ V
Vorwort
Die Technik im Kraftfahrzeug hat sich in den letzten Jahrzehnten stetig weiterentwickelt. Der
Einzelne, der beruflich mit dem Thema beschäftigt ist, muss immer mehr tun, um mit diesen
Neuerungen Schritt zu halten. Mittlerweile spielen viele neue Themen der Wissenschaft
und Technik in Kraftfahrzeugen eine große Rolle. Dies sind nicht nur neue Themen aus der
klassischen Fahrzeug- und Motorentechnik, sondern auch aus der Elektronik und aus der
Informationstechnik. Diese Themen sind zwar für sich in unterschiedlichen Publikationen
gedruckt oder im Internet dokumentiert, also prinzipiell für jeden verfügbar; jedoch ist für
jemanden, der sich neu in ein Thema einarbeiten will, die Fülle der Literatur häufig weder
überblickbar noch in der dafür verfügbaren Zeit lesbar. Aufgrund der verschiedenen beruf-
lichen Tätigkeiten in der Automobil- und Zulieferindustrie sind zudem unterschiedlich tiefe
Ausführungen gefragt.
Gerade heute ist es so wichtig wie früher: Wer die Entwicklung mit gestalten will, muss sich
mit den grundlegenden wichtigen Themen gut auskennen. Hierbei sind nicht nur die Hoch-
schulen mit den Studienangeboten und die Arbeitgeber mit Weiterbildungsmaßnahmen in
der Pflicht. Der rasche Technologiewechsel zwingt zum lebenslangen Lernen, auch in Form
des Selbststudiums. Hier setzt die Schriftenreihe „Bosch Fachinformation Automobil“ an. Sie
bietet eine umfassende und einheitliche Darstellung wichtiger Themen aus der Kraftfahr-
zeugtechnik in kompakter, verständlicher und praxisrelevanter Form. Dies ist dadurch mög-
lich, dass die Inhalte von Fachleuten verfasst wurden, die in den Entwicklungsabteilungen
von Bosch an genau den dargestellten Themen arbeiten. Die Schriftenreihe ist so gestaltet,
dass sich auch ein Leser zurechtfindet, für den das Thema neu ist. Die Kapitel sind in einer
Zeit lesbar, die auch ein sehr beschäftigter Arbeitnehmer dafür aufbringen kann.
Die Basis der Reihe sind die bewährten, gebundenen Fachbücher. Sie ermöglichen einen
umfassenden Einblick in das jeweilige Themengebiet. Anwendungsbezogene Darstellungen,
anschauliche und aufwendig gestaltete Bilder ermöglichen den leichten Einstieg. Für den Be-
darf an inhaltlich enger zugeschnittenen Themenbereichen bietet die broschierte Reihe das
richtige Angebot. Mit deutlich reduziertem Umfang, aber gleicher detaillierter Darstellung,
ist das Hintergrundwissen zu konkreten Aufgabenstellungen professionell erklärt.
Die hier vorliegende 3. Auflage des broschierten Buches Sensoren im Kraftfahrzeug ent-
hält die neu bearbeiteten Beschreibungen der Sensoren in Verbrennungsmotoren aus dem
Buch „Ottomotor-Management“ und aus dem „Kraftfahrtechnischen Taschenbuch“. Dies
betrifft das Kapitel „Sensoren“, Abschnitte Temperatur sensoren bis einschließlich Wasser-
stoffsensoren.
Friedrichshafen, im Januar 2017 Konrad Reif
Inhaltsverzeichnis Ӏ VII
Inhaltsverzeichnis
Sensoren im Kraftfahrzeug
Grundlagen und Überblick ......................................................................................... 2
Einsatz im Kraftfahrzeug ............................................................................................ 5
Angaben zum Sensormarkt ........................................................................................ 8
Besonderheiten von Kfz-Sensoren ............................................................................ 9
Sensorklassifikation ................................................................................................... 10
Fehlerarten und Toleranzanforderungen .................................................................... 12
Zuverlässigkeit ........................................................................................................... 13
Hauptanforderungen, Trends .................................................................................... 16
Übersicht der physikalischen Effekte für Sensoren .................................................... 23
Übersicht und Auswahl der Sensortechnologien ....................................................... 25
Sensormessprinzipien
Positionssensoren ..................................................................................................... 26
Drehzahl- und Geschwindigkeitssensoren ................................................................. 55
Beschleunigungs sensoren ......................................................................................... 67
Drucksensoren ........................................................................................................... 72
Kraft- und Drehmomentsensoren ............................................................................... 75
Durchflussmesser ..................................................................................................... 84
Gassensoren und Konzentrationssonden ................................................................... 90
Temperatursensoren .................................................................................................. 94
Optoelektronische Sensoren ..................................................................................... 104
Sensoren
Einsatz im Kraftfahrzeug ............................................................................................ 112
Temperatursensoren .................................................................................................. 113
Motordrehzahlsensoren ............................................................................................. 115
Heißfilm-Luftmassenmesser ...................................................................................... 120
Hochdrucksensoren ................................................................................................... 127
λ-Sonden .................................................................................................................... 128
Zweipunkt-λ-Sonden .................................................................................................. 129
Breitband-λ-Sonde ..................................................................................................... 132
NO-Sensor ................................................................................................................ 135
x
Partikelsensor ............................................................................................................ 138
Wasserstoffsensoren ................................................................................................. 139
Drehzahlsensoren für Getriebe steuerung .................................................................. 141
Raddrehzahlsensoren ................................................................................................ 144
Mikromechanische Drehratesensoren ........................................................................ 148
Piezoelektrischer Stimm gabel-Drehratesensor .......................................................... 151
Fahrpedalsensoren .................................................................................................... 152
Lenkwinkelsensoren .................................................................................................. 154
Positionssensoren für Getriebe steuerung ................................................................. 156
Achssensoren............................................................................................................. 159
OMM-Beschleunigungs sensoren ................................................................................ 160
Mikromechanische Bulk-Silizi um-Beschleunigungs sensoren ..................................... 162
VIII Ӏ Inhaltsverzeichnis
Piezoelektrische Beschleunigungs sensoren .............................................................. 163
Sitzbelegungserkennung ............................................................................................ 164
Drehmomentsensor .................................................................................................. 166
Ultraschallsensor ....................................................................................................... 167
Regen-/Lichtsensor .................................................................................................... 168
Schmutzsensor .......................................................................................................... 169
Climate Control Sensor.............................................................................................. 170
Elektronik
Grundlagen der Halbleitertechnik .............................................................................. 172
Diskrete Halbleiter bauelemente................................................................................. 175
Monolithische integrierte Schaltungen ...................................................................... 190
Herstellung von Halbleiterbauelementen und Schaltungen........................................ 191
Abkürzungen .............................................................................................................. 202
Sachwortverzeichnis .................................................................................................. 204
Redaktionelle Kästen
Der Piezo-Effekt ......................................................................................................... 93
Miniaturen ................................................................................................................. 111
Mikromechanik .......................................................................................................... 201
Autorenverzeichnis Ӏ
Autorenverzeichnis
Sensoren im Kraftfahrzeug
Autoren und Mitwirkende
Dr.-Ing. Erich Zabler, Dr.-Ing. Klaus Kasten,
Dr. rer. nat. Stefan Finkbeiner, Dipl.-Ing. Peter Brenner,
Dr. rer. nat. Wolfgang Welsch, Dipl.-Ing. Frank Wolf,
Dr. rer. nat. Hartmut Kittel, Dr. Michael Arndt,
Dr. rer. nat. Christian Bauer, Dr. rer. nat. Ulrich Schaefer,
Dipl.-Ing. Günter Noetzel, Prof. Dr.-Ing. Klemens Gintner,
Dr.-Ing. Harald Emmerich, Hochschule Karlsruhe,
Dipl.-Ing. (FH) Gerald Hopf, Dr.-Ing. Berndt Cramer,
Dr.-Ing. Uwe Konzelmann, Dr. rer nat. Peter Spoden,
Dr. rer. nat. Thomas Wahl, Dr.-Ing. Tilmann Schmidt-Sandte,
Dr.-Ing. Reinhard Neul, Dipl.-Ing. Dipl.-Wirt.-Ing. Nils Kaiser,
Dr.-Ing. Wolfgang-Michael Müller, Prof. Dr.-Ing. Peter Knoll,
Dr.-Ing. Claus Bischoff, Prof. Dr.-Ing. Konrad Reif,
Dr. Christian Pfahler, Duale Hochschule Baden-Württemberg.
Dipl.-Ing. Peter Weiberle,
Dipl.-Ing. (FH) Ulrich Papert,
Dipl.-Ing. (FH) Bernhard Bauer,
Dr. Michael Harder,
Soweit nicht anders angegeben, handelt es sich um Mitarbeiter der Robert Bosch GmbH,
Stuttgart.
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Sensoren im Kraftfahrzeug
Der Begriff Sensor führte sich ein, als Grundlagen und Überblick
in den zurückliegenden 20…40 Jahren
Messfühler auch in Konsumanwen­ Begriff/Definition Sensor
dungen (z. B. Kraftfahrzeug und Haus­ Als elektrische Größen gelten hier nicht
gerätetechnik) einzogen. Sensoren – be­ nur Strom und Spannung, sondern auch
grifflich identisch mit (Mess­)Fühlern Strom-/Spannungsamplituden, die Fre-
und (Messwert­)Aufnehmern – setzen quenz, Periode, Phase oder auch Puls-
eine physikalische oder chemische dauer einer elektrischen Schwingung
(meist nichtelektrische) Größe F in eine sowie die elektrischen Kenngrößen Wider-
elektrische Größe E um; dies geschieht stand, Kapazität und Induktivität. Der Sen-
oft auch über weitere, nichtelektrische sor lässt sich durch folgende Gleichungen
Zwischenstufen. charakterisieren:
In Tabelle 1 sind die verschiedenen Sen- (1) E = f (F, Y1, Y2…)
soreinsatzgebiete zusammengestellt und Sensorausgangssignal
verglichen. Bild 1 gibt einen Eindruck (2) F = g (E, Y1, Y2…)
von der Fülle bereits bestehender elek- gesuchte Messgröße
tronischer Systeme in Kraftfahrzeugen,
deren Zahl sich in Zukunft zweifellos noch Sind die Funktionen f oder g bekannt, so
wesentlich erhöhen wird. stellen sie ein Sensormodell dar, mit Hilfe
dessen sich die gesuchte Messgröße aus
dem Ausgangssignal E und den Einfluss-
größen Yi praktisch fehlerfrei auch ma-
thematisch berechnen lässt (intelligente
1 Vielfalt der Fahrzeugsysteme mit Sensoren
AntrieDr bu c s(kssGeettrinresbaoerstneLuage r d u en(dg,Erl euktcrkonsiMseoctnrhLoes niuof cr)t Dim e Kal s sel or s pe efgsneUlesumneng,gsn esorbo r(u M(nMHotorgtMor oo stc orn idnhioc(r)cndiB)urec)cnuzikcskne-sneDirsneLosktra oei(rnmsMbportidtrzoau-nincgS), onDdrC ee o h mz(maGohent lriseebRaenils)tsTaeour n e rk u(dnrOg,u n-ckBosaerMnodt-sProoeDi rn id a c ag)lnGowassee)pgegdale, ber El(eWElkitre nko t rkhy(oeldnir-Msa/otculrihPoseoncsihsc)ie tionsBrgeemsbKee)romfDroerhtratesLeuf nt sgo ü Fr t e (e usNcae vi(hntgHseaeti-io/zro unT()neKglism- mparereuDgarnteldu uucrnKklsgi)semenarnsesoRgroeelr ug (n eZg()neSnstcrehalenivbsereorinrewigAselcb uh sn et rg)as(tneRüudcesrkrusaneug)nmsübore rwUlatcrhausngc)hall
AbsStiancdhsreardarh (eAiCtC, Pr(eScrcNhaeseiihn)gwuernfgersvHseroestcnelhlsudornrgu)cksensor (ESP) Drehmom e(ntSesrveLolneesnnokkrruangd)winkelsensor (ESP) BeschleSuitnizgbuelneggsusenngsBseosrse (cDnrAihsrleobehra rug()antAiiregbsuaegnng)ssosr e(nEsSo NP)r e((iSigAcuBhSne)rgusngssesynstse Do rr(meeÜ)hbrerartollesDserenesnihserzouarnhgl)sensor (ABS) UAE0816-1D
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K. Reif (Hrsg.), Sensoren im Kraftfahrzeug, Bosch Fachinformation Automobil, DOI 10.1007/978-3-658-11211-0_1