DE10017562C1

DE10017562C1 - Luftfeder mit zwei Endgliedern, zwischen denen ein Abstandssensor angeordnet ist

Info

Publication number: DE10017562C1
Application number: DE10017562A
Authority: DE
Inventors: Holger Behrends
Original assignee: Continental AG
Current assignee: Continental AG
Priority date: 2000-04-08
Filing date: 2000-04-08
Publication date: 2001-09-06
Anticipated expiration: 2020-04-09
Also published as: US20020008340A1; US6375168B2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Luftfeder 2 mit einem integrierten Höhensensor, der eine längenveränderliche Wendelung 10 und eine Spule 12 aufweist. An die Spule 12 wird eine Wechselspannung angelegt, was auf Grund des dadurch erzeugten Magnetfeldes in der Wendelung 10 ebenfalls zu einer Spannung führt. Die Größe der in der Wendelung 10 induzierten Spannung bzw. des dadurch hervorgerufenen Stromflusses steht in einem eindeutigen Zusammenhang mit der Anzahl der Windungen der Wendelung 10, die sich im Wirkungsbereich des erzeugten Magnetfeldes befinden. In einer Auswerteeinheit 28 wird induzierte Spannung bzw. der induzierte Stromfluss ausgewertet und auf den Abstand des Deckels 4 von dem Abrollkolben 6 geschlossen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Luftfeder mit zwei Endgliedern, nämlich einem Deckel und einem Abrollkolben, zwischen denen ein flexibler Balg eingespannt ist, so dass die Endglieder in Längsrichtung der Luftfeder zueinander beweglich sind, und mit einer in Längsrichtung der Luftfeder ausgerichteten elektrisch leitfähigen Wendelung, die derart in der Luftfeder angeordnet ist, dass sie sich in ihrer Länge verändert, wenn sich die Endglieder in Längsrichtung der Luftfeder zueinander bewegen.

Es ist seit langem bekannt, in Kraftfahrzeuge Niveauregelanlagen mit Luftfedern einzubauen. Diese bieten den Vorteil, dass das Niveau des Kraftfahrzeuges unabhängig von seinem Beladungszustand konstant gehalten werden kann. Zur Regelung des Niveaus benötigt die Niveauregelanlage Höhensensoren, die den Luftfedern zugeordnet sind. Die Höhensensoren können entweder außerhalb der Luftfedern angeordnet oder in diese integriert sein. Eine Integration der Höhensensoren in die Luftfedern bietet die Vorteile, dass die Höhensensoren vor mechanischen Belastungen geschützt sind und darüber hinaus nicht als separate Bauteile am Kraftfahrzeug montiert zu werden brauchen.

Aus der DE 44 13 559 A1 ist eine Luftfeder mit einem integrierten Höhensensor bekannt. Der Höhensensor besteht aus einer elektrisch leitfähigen Wendelung, die in dem flexiblen Balg der Luftfeder eingearbeitet ist. Wenn sich die Endglieder der Luftfeder, zwischen denen der flexible Balg eingespannt ist, in Längsrichtung der Luftfeder zueinander bewegen, verändert sich die Länge der elektrisch leitfähigen Wendelung und damit ihre Induktivität. Aus der Größe der Induktivität kann auf den Abstand der Endglieder der Luftfeder und damit auf das Niveau des Kraftfahrzeuges im Bereich der Luftfeder geschlossen werden. Der aus der DE 44 13 559 A1 bekannte Höhensensor für eine Luftfeder weist einen einfachen Aufbau und einen großen Messbereich auf. Es hat sich jedoch gezeigt, dass die in den Balg integrierte elektrische Wendelung eine kleine Induktivität so aufweist, dass Veränderungen dieser nur mit einer aufwendigen Messtechnik gemessen werden können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Luftfeder mit einem integrierten, einfach aufgebauten Höhensensor zu schaffen, der einen großen Messbereich aufweist und dessen Signal einfach ausgewertet werden kann.

Gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass der Höhensensor zusätzlich innerhalb des Raumes, der von den Endgliedern und dem Balg begrenzt wird, ein längenunveränderliches Element aufweist, das auf einem der Endglieder angeordnet ist und das mit einem Teil der Windungen der Wendelung in elektrische Wechselwirkung tritt, wobei die Anzahl der Windungen, mit der die Wechselwirkung eintritt, von dem Abstand der Endglieder eindeutig abhängig ist.

Der mit der Erfindung erzielte Vorteil der Erfindung ist insbesondere darin zu sehen, dass der Höhensensor bei einem einfachen Aufbau und einem großen Längenmessbereich ein einfach auszuwertendes elektrisches Signal liefert. Dies liegt darin begründet, dass ein Teil der Windungen der längenveränderlichen elektrischen Wendelung in elektrische Wechselwirkung mit dem längenunveränderlichen Element tritt und dadurch ausreichend starke elektrische Signale erzeugt werden, die einer einfachen Auswertung zugänglich sind. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass der Sensor eine geringe Störanfälligkeit aufweist, da die elektrischen Meßsignale energiereich sind.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 2 ist das Element in einer der Stirnfläche eines Endgliedes befindlichen Vertiefung angeordnet. Der Vorteil dieser Weiterbildung ist darin zu sehen, dass bei einer starken Einfederung der Luftfeder das längenveränderliche Element nicht beschädigt werden kann.

Bei dem längenunveränderlichen Element kann es sich beispielsweise um einen Kern aus ferromagnetischem Material handeln. Vorzugsweise ist das in seiner Länge unververändliche Element jedoch als elektrisch leitfähige Spule ausgebildet, so wie es auch in Anspruch 3 beansprucht ist. Die Spule und die längenveränderliche Wendelung sind bevorzugt so angeordnet, dass ihre Längsachsen weitestgehend parallel zueinander verlaufen. Der Vorteil dieser Weiterbildung ist darin zu sehen, dass durch eine Spule kontrolliert ein elektrischer Strom getrieben werden kann, durch den in ihrer Umgebung ein Magnetfeld erzeugt wird. Dieses Magnetfeld erzeugt in der längenveränderlichen elektrisch leitfähigen Wendelung wiederum eine Spannung, die dort zu einem Stromfluss führt. Die Größe der induzierten Spannung und damit die Größe des Stromflusses ist abhängig von der Anzahl der Windungen der längenveränderlichen Wendelung, die sich im Wirkungsbereich der Spule befinden. Zur Auswertung der in der längenveränderlichen Wendelung induzierten Spannung bestehen grundsätzlich zwei Möglichkeiten: Die erste Möglichkeit besteht darin, dass an die Spule eine Wechselspannung mit konstanter Amplitude angelegt wird. In der längenveränderlichen Wendelung wird eine Wechselspannung mit einfederungsabhängiger Amplitude induziert, die beispielsweise mit Hilfe eines Hühlkurvendemodulators ausgewertet wird. Eine zweite Möglichkeit besteht darin, in die Spule einen Spannungsimpuls einzuprägen. Der Spannungsimpuls führt dazu, dass in der längenveränderlichen Wendelung eine Spannung induziert wird, die dort einen Stromfluss verursacht. Mit einer Auswerteschaltung wird die Zeit gemessen, die bis zum Erreichen eines bestimmten Stromschwellwertes in der längenveränderlichen Wendelung vergeht. Je mehr Windungen der längenveränderlichen Wendelung sich im Wirkungsbereich der Spule befinden, desto höher ist die induzierte Spannung und desto schneller steigt der Strom in der längenveränderlichen Wendelung auf den Schwellwert an. Aus der Anstiegszeit des Stromes kann also direkt auf den Abstand der Endglieder der Luftfeder geschlossen werden. Die zweite Möglichkeit bietet gegenüber der ersten Möglichkeit den Vorteil, dass nur kurzzeitige Spannungsimpulse in die Spule eingeprägt werden, so dass der Höhensensor nur einen geringen Strombedarf aufweist.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 4 weist die Spule einen ferromagnetischen Kern auf. Der Vorteil dieser Weiterbildung ist darin zu sehen, dass der ferromagnetische Kern das in der Umgebung der Spule erzeugte magnetiche Feld führt und damit konzentriert.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 5 verfügt die Wendelung und die Spule jeweils über zwei elektrische Anschlüsse, die im Bereich des Deckels der Luftfeder liegen. Der Vorteil dieser Weiterbildung ist darin zu sehen, dass die elektrischen Anschlüsse und die Auswerteelektronik im Bereich der gefederten Masse des Kraftfahrzeuges, in das die Luftfeder eingebaut wird, angeordnet sind. Somit ist ein einfacher Anschluss der Auswerteelektronik an die Anschlüsse der Wendelung und der Spule möglich. Darüber hinaus wirken auf den Deckel einer in ein Kraftfahrzeug eingebauten Luftfeder weniger dynamische Kräfte ein als auf den Abrollkolben, so dass die Anschlüsse im Bereich des Deckels mechanisch besser geschützt sind.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 6 steht die längenveränderliche Wendelung an einem Ende mit dem Deckel und am anderen Ende mit dem Abrollkolben der Luftfeder mechanisch in Verbindung. Vorzugsweise befindet sich in diesem Fall die Wendelung innerhalb des Luftvolumens, das von dem Balg der Luftfeder eingeschlossen wird. Von dieser Weiterbildung wird insbesondere dann Gebrauch gemacht, wenn das längenunveränderliche Element auf dem Deckel der Luftfeder angeordnet ist.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 7 ist die längenveränderliche Wendelung Bestandteil des Balges der Luftfeder. Der Vorteil dieser Weiterbildung ist darin zu sehen, dass die in den Balg integrierte Wendelung gut vor mechanischen Belastungen geschützt ist. Ein weiterer Vorteil der Weiterbildung ist darin zu sehen, dass von der Wendelung bei einer Einfederung der Luftfeder keine störende Geräusche verursacht werden.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 8 nimmt der Steigungs winkel der längenveränderlichen Wendelung ausgehend von dem Ende der Wendelung, das dem Endglied zugewandt ist, auf der das längenunveränderliche Element angeordnet ist, in der Richtung des Endes der Wendelung, das dem anderen Endglied zugewandt ist, zu. Der Vorteil dieser Weiterbildung ist darin zu sehen, dass die Linearität des Höhensensors verbessert wird (näheres s. Figurenbeschreibung). Dies läßt sich z. B. dadurch erreichen, dass die Drehstärke vom einen Ende der Wendelung zum anderen Ende hin wächst. Dann weist die eingefederte Wendelung einen konstanten Steigungswinkel über ihre gesamte Länge auf, wohingegen sie im ausgefederten Zustand die oben beschriebene Kontur aufweist.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 9 sind die längenveränderliche Wendelung und das längenunveränderliche Element koaxial zueinander angeordnet. Der Vorteil dieser Weiterbildung ist darin zu sehen, dass eine über den Raum gleichmäßig verteilte Wechselwirkung zwischen der Wendelung und dem längenunveränderlichen Element eintritt. Insbesondere wird die längenveränderliche Wendelung gleichmäßig von dem Magnetfeld "durchsetzt", das von dem als Spule ausgebildeten längenunveränderlichen Element erzeugt wird (bzw. umgekehrt).

Ausführungsbeispiele und weitere Vorteile der Erfindung werden im Zusammenhang mit den nachstehenden Figuren erläutert, darin zeigt:

Fig. 1 eine Luftfeder mit Höhensensor,

Fig. 2 eine Luftfeder mit Höhensensor,

Fig. 3 einen Höhensensor.

Fig. 1 zeigt eine Luftfeder 2 mit einem Deckel 4 und einem Abrollkolben 6, zwischen denen ein flexibler Balg 8 eingespannt ist. Der Balg 8 der Luftfeder 2 kann unter Ausbildung einer Abrollfalte auf dem Abrollkolben 6 abrollen, so dass sich der Deckel 4 und der Abrollkolben 6 einander annähern bzw., bei einer Bewegung in die umgekehrte Richtung, voneinander entfernen. In die Luftfeder 2 ist ein Höhensensor integriert, der eine längenveränderliche elektrisch leitfähige Wendelung 10 und ein längenunveränderliches Element in Form einer elektrisch leitfähigen Spule 12 aufweist. Die längenveränderliche Wendelung 10 liegt innerhalb des Raumes, der von dem Balg 8 umschlossen wird und ist mit einem Ende an den Deckel 4 und mit dem anderen Ende an dem Abrollkolben 6 befestigt, so dass sie sich verkürzt, wenn sich der Deckel 4 auf den Abrollkolben 6 zubewegt (bzw. bei umgekehrter Bewegungsrichtung verlängert).

Die Spule 12 ist ebenfalls innerhalb des Raumes angeordnet, der von dem Balg 8 umschlossen wird. Sie ist im gezeigten Ausführungsbeispiel auf einen ferromagnetischen Kern 14 aufgewickelt, der in einer Vertiefung 16 des Deckels 4 derart angeordnet ist, dass die Spule 12 von der Wendelung 10 umfasst wird und koaxial zu dieser angeordnet ist. Die Längsachsen der Wendelung 10 und der Spule 12 verlaufen in Längsrichtung der Luftfeder 2.

Die elektrischen Anschlüsse 18 und 20 der Wendelung 10 und die elektrischen Anschlüsse 22 und 24 der Spule 12 liegen auf einer elektrisch isolierenden Platte 26 des Deckels 4. Ausgehend von der Platte 26 werden die elektrischen Anschlüsse 18 bis 24 der Wendelungen 10 und 12 zu einer Auswerteeinheit 28 geführt.

Mit Hilfe des beschriebenen Höhensensors kann der Abstand des Deckels 4 von dem Abrollkolben 6 wie folgt bestimmt werden: An die elektrischen Anschlüsse 22 und 24 der Spule 12 wird eine Wechselspannung mit konstanter Amplitude angelegt. Auf Grund des Stromflusses in der Spule 12 entsteht in ihrer unmittelbaren Umgebung ein Magnetfeld, dessen Stärke mit zunehmender Entfernung von der Spule 12 stark abnimmt und durch das eine Spannung in der Wendelung 10 induziert wird. Die Amplitude der induzierten Spannung ist von der Anzahl der Windungen der Wendelung 10, die sich im Wirkungsbereich des von der Spüle 12 erzeugten Magnetfeldes befinden, abhängig. Da die Anzahl der Windungen, die sich im Wirkungsbereich des Magnetfeldes befinden, in eindeutigem Zusammenhang mit dem Abstand des Deckels 4 von dem Abrollkolben 6 steht, kann in der Auswerteeinheit 28 aus der Größe der induzierten Spannung auf den Abstand des Deckels von dem Abrollkolben geschlossen werden.

Es ist ebenfalls möglich, in die Spule 12 einen Spannungsimpuls einzuprägen. Auf Grund des Spannungsimpuls wird in Wendelungen 10 eine Spannung induziert, die dort zu einem Stromfluss führt. Die bis zum Erreichen eines Stromschwellwertes benötigte Zeit ist eindeutig abhängig davon, wieviele Windungen der Wendelung 10 sich im Wirkungsbereich des von der Spule 12 erzeugten Magnetfeldes befinden. Aus der benötigten Zeit kann in der Auswerteeinheit 28 eindeutig auf Abstand zwischen dem Deckei 4 und dem Abrollkolben 6 geschlossen werden.

Fig. 2 zeigt eine Luftfeder, die genauso aufgebaut ist, wie die in der Fig. 1 gezeigte Luftfeder und die ebenfalls einen integrierten Höhensensor enthält. Der Höhensensor ist weitestgehend genauso aufgebaut, wie der in der Fig. 1 gezeigte Höhensensor und verfügt ebenfalls über eine elektrisch leitfähige längenveränderliche Wendelung 10 und eine elektrisch leitfähige Spule 12, die vorzugsweise auf einen ferromagnetischen Kern 14 aufgewickelt ist. Ein Unterschied ist darin zu sehen, dass die Wendelung 10 Bestandteil des Balges 8 der Luftfeder 2 ist. Um dies zu erreichen, kann die Wendelung entweder auf der nach innen gewandten Oberfläche des Balges aufgedruckt oder aufgeklebt oder direkt zwischen die Schichten des Balges eingearbeitet sein. Ein weiterer Unterschied ist darin zu sehen, dass die Wendelung 12 in einer Vertiefung 30 des Abrollkolbens 6 angeordnet ist. Bezüglich des Funktionsprinzips des Höhensensors wird auf die Figurenbeschreibung zu Fig. 1 verwiesen.

Fig. 3 zeigt in schematischer Darstellung die Zuordnung der längenveränderlichen Wendelung 10 zu dem längenunveränderlichen Element in Form einer Spule 12. Die Wendelung 10 ist einerseits an dem Deckel 4 und andererseits an dem Abrollkolben 6 befestigt. Die Spule 12 ist an dem Abrollkolben 6 befestigt und koaxial zu der Spule 10 angeordnet, so wie es auch in der Fig. 2 gezeigt ist. Der Steigungswinkel Alpha der längenveränderlichen Wendelung 10 nimmt ausgehend von dem Ende der Wendelung 10, das dem Abrollkolben zugeordnet ist, in Richtung des Endes der Wendelung 10, das dem Deckel zugeordnet ist, zu. Dies führt zu einer größeren Linearität des Höhensensors, was sich wie folgt begründet: Wenn sich der Deckel 4 auf den Abrollkolben 6 zubewegt, kommt eine immer größere Anzahl von Windungen der Wendelung 10 in den Wirkungsbereich der Spule 12. Der Höhensensor weist dann ein lineares Verhalten auf, wenn die Anzahl der Windungen, die in den Wirkungsbereich der Spule 12 kommen, für jeweils gleiche Längenänderungen der Wendelung 10 konstant ist. Nun werden diejenigen Windungen der Wendelung 10, die von der Spule 12 am weitesten entfernt sind, während der gesamten Annäherung des Deckels 6 an den Abrollkolben 4 zusammengeschoben, so dass sich ihr Steigungswinkel Alpha bei dieser Bewegung beständig verkleinert. Aus diesem Grunde muss der Steigungswinkel Alpha für die Windungen, die von der Spule 12 weiter entfernt liegen, größer sein als der Steigungswinkel Alpha für diejenigen Windungen, die näher an der Spule 12 liegen, um ein lineares Verhalten des Höhensensors zu erreichen.

Bezugszeichenliste

2

Luftfeder

4

Deckel

6

Abrollkolben

8

Balg

10

längenveränderliche Wendelung

12

Spule

14

ferromagnetischer Kern

16

Vertiefung

18

,

20

,

22

,

24

elektrische Anschlüsse

26

Platte

28

Auswerteeinheit

Claims

1. Luftfeder (2) mit zwei Endgliedern, nämlich einem Deckel (4) und einem Abrollkolben (6), zwischen denen ein flexibler Balg (8) eingespannt ist, so dass die Endglieder in Längsrichtung der Luftfeder (2) zueinander beweglich sind, und mit einem Höhensensor, der eine in Längsrichtung der Luftfeder (2) ausgerichtete elektrisch leitfähige Wendelung (10) aufweist, die derart in der Luftfeder (2) angeordnet ist, dass sie sich in ihrer Länge verändert, wenn sich die Endglieder in Längsrichtung der Luftfeder (2) zueinander bewegen, dadurch gekennzeichnet, dass der Höhensensor zusätzlich innerhalb des Raumes, der von den Endgliedern und dem Balg (8) begrenzt wird, ein längenunveränderliches Element (12) aufweist, das auf einem der Endglieder angeordnet ist und das von einem Teil der Windungen der Wendelung (10) in elektrische Wechselwirkung tritt, wobei die Anzahl der Windungen, mit der die Wechselwirkung eintritt, von dem Abstand der Endglieder (4, 6) eindeutig abhängig ist.

2. Luftfeder (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Element (12) in einer in der Stirnfläche eines Endgliedes (4, 6) befindlichen Vertiefung (16) angeordnet ist.

3. Luftfeder (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass das längenunveränderliche Element (12) als elektrisch leitfähige Spule (12) ausgebildet ist.

4. Luftfeder (2) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule (12) einen ferromagnetischen Kern aufweist.

5. Luftfeder (2) nach einem der Ansprüche 3 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wendelung (10) und die Spule (12) jeweils über zwei elektrische Anschlüsse (18, 20, 22, 24) verfügen, die im Bereich des Deckels (4) der Luftfeder (2) liegen.

6. Luftfeder (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wendelung (10) an einem Ende mit dem Deckel (4) und am anderen Ende mit dem Abrollkolben (6) mechanisch in Verbindung steht.

7. Luftfeder (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wendelung (10) Bestandteil des Balges (8) der Luftfeder (2) ist.

8. Luftfeder (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Steigungswinkel der Wendelung (10) ausgehend von dem Ende der Wendelung, das dem Endglied (4, 6) zugewandt ist, auf der das längenunveränderliche Element (12) angeordnet ist, in Richtung des Endes der Wendelung, das dem anderen Endglied (4, 6) zugewandt ist, zunimmt.

9. Luftfeder (2) nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wendelung (10) und das längenunveränderliche Element (12) koaxial zueinander angeordnet sind.