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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Gasmengenermittlung in Gasfederniveauregelanlagen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 beziehungsweise des Patentanspruchs 11.
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Bei hochwertigen modernen Kraftfahrzeugen ist es üblich, das Federniveau des Fahrzeugs gemäß den Vorgaben des Fahrers und/oder einer Automatik verändern zu können. Hierfür werden zumeist Gasdruckfedern und insbesondere solche Federn eingesetzt, bei denen das Gas Luft ist und die Luftmenge zur Einstellung des Federniveaus und/oder zur Einstellung der Federcharakteristik verändert werden kann.
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Dabei umfassen die Begriffe Gasfeder und Luftfeder auch alle Federn, welche teilweise auf anderen Federprinzipien beruhen, solange sie zumindest teilweise nach dem Prinzip einer Gasdruckfeder arbeiten. Mit dem Begriff der Federcharakteristik ist die Härte der Feder und die Kennlinie der Federhärte über den Federweg sowie der maximale Federweg gemeint. Unter dem Begriff Federniveau wird im Folgenden der vertikale Abstand des Achsenmittelpunktes des jeweiligen Rades zu einem definierten Bezugspunkt des Chassis, also des gefederten Aufbaus des Fahrzeugs, verstanden. Der definierte Punkt des Chassis ist dabei sinnvoller Weise der tiefste Punkt des Chassis im Bereich der Achse des jeweiligen Rades oder der absolut tiefste Punkt des Chassis gegenüber einer Fläche, welche durch die Achsmittelpunkte definiert wird.
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Das Federniveau kann bei modernen Fahrzeugen beispielsweise durch Veränderung der in den Luftfedern wirksamen Gasmenge verändert werden. Hierdurch ist eine Einstellung der Bodenfreiheit des Fahrzeugs möglich, die als vertikaler Abstand zwischen dem Aufstandspunkt des jeweiligen Reifens und dem definierten Bezugspunkt des Chassis definiert wird. Damit setzt sich die Bodenfreiheit aus dem Betrag des Federniveaus und dem senkrechten Abstand zwischen der Achse des jeweiligen Rades und dem Aufstandspunkt des zugehörigen Reifens zusammen. Normalerweise ist die Bodenfreiheit dabei die relevante Zielgröße, während das Federniveau die durch Veränderung der wirksamen Luftmenge einstellbare Größe darstellt.
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Die gezielte Veränderung der Bodenfreiheit ist aus verschiedenen Gründen wünschenswert. Erstens, kann durch eine Einstellung der Bodenfreiheit die Lage des Schwerpunktes verändert und damit beispielsweise das Fahrverhalten in Kurven verbessert werden. Zweitens hat die in den Federn wirksame Gasmenge einen direkten Einfluss auf die Federeigenschaften und kann somit zur Einstellung einer härteren oder weicheren Federung des Fahrzeugs verwendet werden. Drittens ist insbesondere bei hohen Geschwindigkeiten der freie Abstand des Chassis zur Fahrbahn eine wichtige aerodynamische Einflussgröße, welche sich sowohl auf die Bodenhaftung des Fahrzeugs als auch auf den Kraftstoffverbrauch auswirkt. Viertens ermöglicht eine Einstellung der Bodenfreiheit eine für verschiedene Straßenverhältnisse und auch für Bodenverhältnisse abseits von Straßen optimale Einstellung zur Vermeidung von Berührungen des Fahrzeugunterbodens mit flachen Hindernissen oder Erhebungen in der Fahrbahn. Fünftens können durch unterschiedliche Zuladungen bedingte Änderungen der Bodenfreiheit wunschgemäß kompensiert werden. Sechstens ist gerade bei Bussen und Lastkraftwagen die Einstellung einer maximalen Höhe des Fahrzeugaufbaus möglich, um beispielsweise stets zuverlässig unter einer Maximalhöhe von 4,00 Metern zu bleiben. Siebtens stellt eine durch den Fahrer willentlich beeinflussbare Bodenfreiheit ein unter Marketinggesichtspunkten wünschenswertes Merkmal dar. Achtens ist eine gezielte Verringerung der Bodenfreiheit zumindest im Bereich einer Achse vorteilhaft, um beispielsweise die Beladung des Kofferraums durch Absenkung der Ladekante zu vereinfachen oder das Ankoppeln eines Anhängers zu ermöglichen, ohne dass dessen Kupplung hierfür angehoben werden muss. Neuntens kann es vorteilhaft sein, den Druck und damit die Federcharakteristik in Abhängigkeit von fahrdynamischen Ereignissen oder Zuständen zu verändern, um beispielsweise das Kurvenverhalten zu verbessern oder einem Aufschaukeln des Fahrzeuges entgegenzuwirken.
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Entsprechend der Vielzahl der möglichen Anwendungen und Vorteile einer beeinflussbaren Bodenfreiheit existieren bereits eine Vielzahl von Systemen zur Einstellung des Federniveaus.
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So ist aus der
DE 100 06 024 C1 ein Verfahren zum Auffüllen von Druckmittelkammern einer Niveauregelanlage aus einem Druckmittelspeicher bekannt. Dabei werden die Druckmittelkammern bei Bedarf aus einem Druckmittelspeicher aufgefüllt, dessen Druck entweder unmittelbar nach einer erfolgten Druckübertragung an die Druckmittelkammer oder in regelmäßigen zeitlichen Abständen gemessen wird. Fällt die Druckdifferenz zwischen Druckmittelkammer und Druckmittelspeicher unter einen Schwellwert, so wird der Druck mittels eines Kompressors erhöht.
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Zur Messung des Drucks in zumindest zwei Druckkammern einer Fahrzeugachse wird vorgeschlagen, dass entweder der Druck in jeder Druckkammer gemessen und aus diesen Messwerten ein Mittelwert gebildet wird, indem die Druckmittelkammern nacheinander mit einem Drucksensor verbunden werden, oder dass der Mittelwert des Drukkes in den Druckmittelkammern gemessen wird, indem diese achsweise gleichzeitig über Ventile mit einem Drucksensor verbunden werden.
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Bei letzterer Vorgehensweise ist problematisch, dass es durch die gleichzeitige Öffnung der Ventile mehrerer Druckmittelkammern zwangsläufig zu einem Druckausgleich zwischen den beteiligten Kammern kommt. Wenn sich das Fahrzeug beispielsweise mit den Rädern einer Seite auf einem Bordstein befindet, oder das Gewicht des Fahrzeugs oder seiner Ladung aus anderen Gründen nicht gleichmäßig auf beide Druckmittelkammern verteilt ist, so wird bei anfänglich gleicher Gasbefüllung der Druckkammern ein unterschiedlicher Druck in den beiden Druckkammern einer Achse vorliegen, deren Ausgleich nicht wünschenswert ist. Insbesondere bei einer ungleichmäßigen Gewichtsverteilung einer Ladung auf die beiden Druckmittelkammern einer Achse ist es im Gegenteil sogar äußerst wünschenswert, dass auf derjenigen Seite mit der höheren Gewichtsbelastung und dementsprechend mit dem höheren Druck dieser gegenüber der anderen Druckkammer zumindest beibehalten und unter Umständen sogar noch weiter erhöht wird, um eine seitliche Schieflage des Fahrzeugs zu verhindern und/oder die Federung auf der stärker belasteten Seite härter einzustellen.
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Auch das erstgenannte Vorgehen der einzelnen, zeitlich nach einander erfolgenden Verbindung der Druckmittelkammern mit dem Drucksensor ist nicht optimal. Einerseits ist vorgesehen, dass im Falle der Messung der Kammern einer Achse der Mittelwert aus beiden Druckwerten gebildet werden soll, wodurch einer gezielten Beibehaltung oder Einstellung ungleicher Drücke in den Druckkammern einer Achse die Datengrundlage entzogen wird. Andererseits sind die reinen Druckwerte, auch wenn sie zur Steuerung der Einstellung der Drücke einzeln vorlägen, nur von bedingter Aussagekraft. Wenn beispielsweise eine ungleichmäßige Beladung vorliegt, das Fahrzeug auf einer schrägen Fläche abgestellt ist, durch Kurvenfahrt eine Seitenbeschleunigung auftritt oder äußere Kräfte beispielsweise in Form einer Windlast am Fahrzeug angreifen, so könnte dies mit dem Verfahren nach der
DE 100 06 024 C1 auch bei Vorlage separater Druckwerte weder erkannt noch bei der Einstellung der Drücke in den Druckmittelkammern berücksichtigt werden.
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Aus der
EP 0 779 167 A2 ist eine Niveauregeleinrichtung zur Regelung des Abstandes zwischen einem Fahrzeugchassis und einem Fahrzeugaufbau bekannt, welche die durch eine Beladung des Fahrzeuges sich verändernde Höhe des Fahrzeugchassis automatisch ausregeln soll. Dabei ist in der Grundversion jedem Luftfederbalg ein eigener Drucksensor sowie ein eigener Sensor zur Ermittlung des Abstandes zwischen Chassis jeweiliger Fahrzeugachse zugeordnet. Bei steigender Zuladung wird die Verringerung dieses Abstandes erfasst und der Druck des zugeordneten Luftfederbalgs so weit erhöht, dass der gewünschte Abstand innerhalb einer gewissen Bandbreite wieder hergestellt wird. Zudem wird die durch das Fahrzeuggewicht bedingte Eindrückung der Fahrzeugreifen ermittelt und ebenfalls durch eine Änderung des Druckes der Luftfederbälge annähernd kompensiert.
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Dieses Verfahren ist einzig auf den Ausgleich von sich aus Beladungsänderungen ergebenden Höhendifferenzen des Fahrzeugchassis beschränkt und deckt damit nur einen kleinen Teil der mögliche Anwendungen einer Luftfederniveauregelanlage ab. Zudem wird in der Grundversion für jeden Luftfederbalg ein eigener Drucksensor benötigt, was zu erheblichen Kosten für die Sensoren und die entsprechende Verkabelung führt und zudem Probleme bei der Kalibrierung der Sensoren aufwerfen kann. Zwar werden verschiedene Varianten vorgeschlagen, um diesen Aufwand zu verringern. Diese beschränken sich jedoch entweder darauf, den Druck auf nur einer Seite der Achse zu erfassen oder die Drucksensoren einer Achse zusammenzufassen, wobei in diesem Fall entweder nur der höhere, nur der niedrigere oder nur der Mittelwert der beiden Drücke zur Verfügung steht. Allen diesen Varianten gemein ist, dass die Rohdaten der Drücke in den einzelnen Luftfederbälgen nicht für eine Auswertung zur Verfügung stehen. Dies führt zu ähnlichen Problemen, wie sie vorstehend für die
DE 100 06 024 C1 beschrieben wurden.
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Zudem ist aus der
JP 06 211 020 A ein System zur Einstellung des Druckes in Luftfedern bekannt, welches die Fahrzeughöhe, beispielsweise bei einer Gewichtsveränderung des Fahrzeugs während der Fahrt durch Kraftstoffverbrauch, konstant halten soll. Dies soll durch eine Berechnung einer Soll-Gasmasse in einer Feder geschehen, welche den zu kompensierenden Faktor ausgleicht. Um die zur Kompensation benötigte Gasmenge ermitteln zu können, muss die Ausgangsgasmenge bekannt sein. Zu deren Ermittlung wird für alle Federn getrennt bei stillstehendem Fahrzeug der Gasdruck und die Fahrzeughöhe bestimmt, aus der sich die Höhe des gasfassenden Raumes der Luftfeder ableiten lässt. Da die Geometrie des gasfassenden Raumes bekannt ist, kann aus Druck und Volumen die Ausgangsgasmenge ermittelt werden. Obwohl die Berechnung der Ausgangsgasmenge zeitlich hintereinander im selben Rechenmodul durchgeführt wird, offenbart die
JP 06 211 020 A keine Anordnung und kein Verfahren, um den Aufwand für Drucksensoren gering zu halten und geht augenscheinlich von jeweils einem eigenen Drucksensor je Luftfeder aus.
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Die
JP 06 064 434 A offenbart ein ähnliches System, welches jedoch auf die Einstellung der tatsächlichen Luftmasse in Federelementen für verschiedene Fahrzustände abzielt. Auch aus dieser Schrift geht keine Anordnung und kein Verfahren zur Verringerung des Aufwandes für die Messung des Druckes in den einzelnen Luftfedern hervor. In beiden vorgenannten Schriften ist die Filterung von Messwerten für die Gastemperatur und für die Fahrzeughöhe durch einen Tiefpassfilter erwähnt. Eine Tiefpassfilterung von gemessenen Druckwerten wird jedoch nicht erwähnt und wäre aufgrund der Druckmessung im Stillstand auch nicht sinnvoll.
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Aus der gattungsbildenden
DE 101 60 972 C1 ist ein Verfahren zur Regelung der Luftmenge in einem Niveauregulierungssystem bekannt. Aus den Luftdrücken in den einzelnen Komponenten, dem Fahrzeugniveau und der Umgebungstemperatur wird die Luftmasse des Niveauregulierungssystems errechnet. Diese Berechnung der Luftmasse wird für die obere bzw. untere Endlage ausgeführt und geht von gleichen Geometriedaten der Fahrzeugbauteile aus. Eine höhenabhängige Veränderung des Federquerschnitts wird allerdings nicht berücksichtigt.
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Die
DE 100 29 332 A1 behandelt die Messung des Beladezustandes eines Kraftfahrzeugs, wobei die Federkräfte, die Radkräfte und schließlich die Schwerpunktlage sowie das Gesamt- und/oder Ladungsgewicht berechnet und angezeigt wird.
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Die
US 4,783,089 A offenbart ebenfalls ein Regelverfahren für ein Niveauregelsystem. Aus dieser ist die Abhängigkeit der Größe der Querschnittsfläche einer Luftfeder vom Einfederungsweg bekannt.
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Die gravierenden Nachteile, die sich aus Konzepten ergeben, welche lediglich einen Federgasdruck berücksichtigen oder den Durchschnittsdruck, Maximaldruck oder Minimaldruck mehrerer Federn ermitteln, wurde bei der Würdigung des Standes der Technik bereits erläutert. Die getrennte Erfassung der Drücke mehrerer oder bevorzugt aller Gasdruckfedern allein ist jedoch für viele Anwendungen nicht zielführend, da insbesondere bei den üblichen Gasdruckfedern mit veränderlichem Gasvolumen die Auswirkung der Zuführung oder Ableitung einer bestimmten Menge Gases nicht in erster Linie von der Absolutmenge des Gases abhängig sind, sondern von dem Verhältnis, in dem diese Menge zu der in der Gasdruckfeder befindlichen Gasmenge steht. Dabei wird unter Gasmenge das Produkt aus Gasvolumen und Druck bei einer Bezugstemperatur verstanden. Wenn beispielsweise eine Gasdruckfeder mit einer für diese Feder minimalen Gasmenge befüllt ist, hat eine zugeführte definierte Gasmenge eine erheblich größere Auswirkung auf die Federcharakteristik, als wenn die selbe Feder bereits mit zwei Dritteln ihrer maximalen Füllmenge befüllt wäre.
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Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung vorzustellen, die geeignet sind, mit vergleichsweise geringem Aufwand an Sensoren und Verkabelung nicht nur die Druckwerte der Gasräume mehrerer Gasfederelemente separat bereit zu stellen, sondern zusammen mit Höhensignalen die kostengünstige Berechnung der tatsächlich in den einzelnen Federelementen eingeschlossenen, wirksamen Gasmenge zu ermöglichen.
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Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen der beiden unabhängigen Patentansprüche, während vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung den Unteransprüchen entnehmbar sind.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass für die bekannten und eingangs erwähnten vielfältigen Anwendungen zumeist wenigstens die Kenntnis des Druckes der in den Federelementen wirksamen Gase sowie entweder ein Signal für die Federhöhe oder die Bodenfreiheit, oder die Kenntnis der in den Federn wirksamen Gasmengen nutzbringend verwendet werden kann. Bei bekanntem Querschnitt oder allgemein bei bekannter Geometrie des Gasdruckraumes und bekannter Geometrie der Feder und ihrer Umgebung lässt sich die in der Feder wirksame Gasmenge aus einem gemessenen federbezogenen Höhenwert und dem gemessenen Wert des Gasdruckes im Gasdruckraum der Feder bestimmen. Während für die Bestimmung des federbezogenen Höhenwertes nicht ohne gravierende Ungenauigkeiten auf einen separaten Sensor je Feder verzichtet werden kann, wird für die Ermittlung des in den Gasdruckräumen der Federn herrschenden Drücke vorgeschlagen, lediglich einen Drucksensor zu verwenden und die Gasdruckräume der Federn zeitlich nacheinander mit diesem Drucksensor zu verbinden.
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Demnach geht die Erfindung aus von einem Verfahren zur Ermittlung der wirksamen Gasmenge in einer Mehrzahl von Gasdruckfedern gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1. Zur Lösung der gestellten Aufgabe sieht die Erfindung demnach folgende Verfahrensschritte vor:
- - Bestimmen des Volumens der wirksamen Gasmenge der jeweiligen Gasdruckfeder mit Hilfe der Kenntnis der Geometrie des Gasdruckraumes und der Geometrie der Feder und ihrer Umgebung und einem federbezogenen Höhenwert der jeweiligen Gasdruckfeder.
- - Messen der Gasdrücke der Gasdruckfedern derart, dass für jeweils zwei oder mehr Gasdruckfedern nur ein Drucksensor genutzt wird, welcher zur Druckmessung jeweils nur einer Gasdruckfeder mit dessen Gasraum verbunden wird.
- - Berechnen der wirksamen Gasmenge einer jeden Gasdruckfeder durch Kombination des individuell gemessenen Gasdrucks mit dem Volumen der wirk- samen Gasmenge.
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Dabei ist es unerheblich, ob das Volumen explizit ermittelt wird oder ob stattdessen Größen verwendet werden, welche in Kombination miteinander dieses Volumen beschreiben. Auch ist die Reihergolge der Faktoren innerhalb einer multiplikativen Verknüpfung selbstverständlich vertauschbar, so dass beispielsweise an Stelle einer Berechnung des Volumens aus einer Multiplikation von Grundfläche und Höhe und anschließender Multiplikation des Volumens mit dem Druck auch der Druck mit der Grundfläche und anschließend mit der Höhe multipliziert werden kann.
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Durch die noch zu definierende Vorrichtung und das oben genannte Verfahren ist es möglich, die Anzahl an Drucksensoren und den zugehörigen Aufwand für die Verkabelung und Kalibrierung zu minimieren. Dabei können beispielsweise die Luftfedern jeweils einer Achse eines Fahrzeugs durch einen gemeinsamen Sensor überwacht werden. Besonders vorteilhaft können sogar sämtliche Luftfedern eines Fahrzeugs mit nur einem Drucksensor überwacht werden. Die hierfür benötigten Druckleitungen und Ventile stehen zumeist durch eine vorhandene Anlage zur Befüllung der Luftfedern aus einer gemeinsamen Quelle ohnehin zur Verfügung, so dass sich hierfür kein zusätzlicher Aufwand ergibt.
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Zur Lösung der gestellten Aufgabe sieht die Erfindung weiter vor, dass das Volumen der wirksamen Gasmenge der Gasdruckfeder mit Hilfe der Kenntnis der Geometrie des Gasdruckraumes und einem federbezogenen Höhenwert der Gasdruckfeder ermittelt wird. Während viele Luftfederregelungen sich mit der Erfassung des Druckes begnügen, sind qualitativ hochwertige und differenzierte Regelungen zumeist nur bei Kenntnis der tatsächlich in der einzelnen Feder wirksamen Gasmenge optimal möglich. Durch die Erfassung von Druck und Volumen kann diese Gasmenge leicht bestimmt werden.
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Während die vorliegende Erfindung ganz allgemein zur Erfassung der wirksamen Gasmenge in beliebigen Gasfederanordnungen geeignet ist, ergeben sich für den Einsatz in Fahrzeugen besondere Vorteile. Wenn die Mehrzahl von Gasdruckfedern Luftdruckfedern in einem Fahrwerk eines Fahrzeuges mit einer während des Betriebes des Kraftfahrzeuges einstellbaren Luftmenge sind, kommt es viel stärker als beispielsweise bei einem Einsatz in Messständen oder Großmaschinen auf geringe Kosten und eine hohe Zuverlässigkeit im Alltagsbetrieb an. Diese Forderungen werden durch die Minimierung der Anzahl der Drucksensoren und deren bereits oben beschriebene Vorteile in besonderer Weise erfüllt.
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Während die Erfindung grundsätzlich auch bei Fahrzeugen eingesetzt werden kann, bei denen die Einstellung des Luftdruckes beispielsweise in Werkstätten vorgesehen ist, eignet sie sich besonders für solche Fahrzeuge, bei denen eine Veränderung der wirksamen Luftmengen in den Federn während des Betriebes, also bei Halt des Fahrzeuges oder während der Fahrt, vollständig mit bordeigenen Mitteln erfolgt. Einerseits können erst hier komplexe Regelungen zur Einstellung der wirksamen Luftmenge ihren vollen Nutzen entfalten, andererseits ist bei diesen Fahrzeugen zusätzliche der apparative Aufwand sehr gering, da durch das bordeigene Druckzuführungssystem zumeist bereits alle benötigten Komponenten vorhanden sind.
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Vorteilhaft ist dabei vorgesehen, dass die Mehrzahl von Gasdruckfedern, welche mit einem gemeinsamen Drucksensor verbindbar sind, im Messbetrieb jeweils abwechselnd für einen Zeitraum von einer bis mehreren Sekunden so mit dem Drucksensor verbunden werden, dass dieser den Gasdruck im Innern des Gasdruckraumes der jeweiligen Gasdruckfeder messen kann.
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Durch diesen Zeitraum kann einerseits sichergestellt werden, dass sich im Stand auch bei im Einzelfall längeren Leitungen ein statischer Druckwert einstellt. Wichtiger ist die Wahl des Zeitraumes jedoch für dynamische Messungen im Fahrbetrieb. Hier ermöglicht der relativ lange Messzeitraum eine Mittelung oder sonstige Berücksichtigung von Druckschwankungen, welche sich beispielsweise bei der Fahrt des jeweils zugehörigen Reifens über eine Bodenerhebung ergeben.
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Der zur Ermittlung des Volumens des Gasdruckraumes benötigte federbezogene Höhenwert der Gasdruckfeder kann im einfachsten Fall aus der relativen Lage zweier zueinander beweglicher Teile der Gasdruckfeder ermittelt werden. Sofern entsprechende Teile der Gasdruckfeder die direkte Auslesung des jeweiligen federbezogenen Höhenwertes zum Beispiel über einen dort angebrachten Wegsensor ermöglichen, ist diese Art der Höhenermittlung besonders kostengünstig, einfach und genau. Zudem sind Höhensensoren im Inneren einer Gasdruckfeder besonders gut gegen äußere Einflüsse geschützt. Auch sind bereits Gasfedern mit integrierten Höhenmessern bekannt, sodass im besten Fall auf ein bereits vorhandenes Signal zurückgegriffen werden kann.
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Alternativ kann der federbezogene Höhenwert der Gasdruckfeder aus einem Abstand eines Chassisteils und eines ungefederten Fahrgestellteils oder des Untergrundes unter Berücksichtigung der geometrischen Verhältnisse zwischen dem Chassisteil und dem ungefederten Teil des Fahrgestells sowie unter Beachtung einer eventuellen Neigung des Federweges gegenüber der Verbindungslinie zwischen dem Chassisteil und dem ungefederten Fahrgestellteil ermittelt werden. Dies hat den Vorteil, dass die Messpunkte nach geometrischen oder anderen Kriterien weitgehend frei gewählt werden können. Wenn insbesondere als Messpunkt am ungefederten Teil des Fahrzeugs ein Punkt der Aufstandsfläche des Reifens auf der Fahrbahn gewählt wird, können Effekte, welche durch unterschiedliche Reifendrücke oder ungleichmäßigen Reifeneigenschaften bedingt sind, ohne zusätzlichen Aufwand mit ermittelt werden.
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Es versteht sich von selbst, dass an Stelle der der Ermittlung des Abstandes zwischen einem gefederten Chassisteil und einem Punkt der Reifenaufstandsfläche hilfsweise auch ein in dessen Nähe liegender Punkt der Oberfläche des Untergrundes gewählt werden kann. Dies ermöglicht eine vereinfachte Messung beispielsweise durch Ultraschall-, Radar- oder Lasermessungen. Aus dem gemessenen Rohwert kann unter Berücksichtigung der bekannten geometrischen Verhältnisse auf einfache Weise derjenige federbezogen Höhenwert ermittelt werden, welcher der Höhe des Gasdruckraumes der Feder entspricht.
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Um aus dem gemessenen Höhenwert die wirksame Gasmenge der jeweiligen Feder zu ermitteln, kann die wirksame momentane Gasmenge einer der Mehrzahl der Gasdruckfedern als Produkt aus dem aktuell gemessenen Druck und dem aktuell ermittelten Volumen des Gasdruckraumes der Gasdruckfeder berechnet werden, wobei das aktuell ermittelte Volumen des Gasdruckraumes der Feder als Produkt aus dem federbezogenen Höhenwert und dem Luftfederquerschnitt berechnet werden kann. Unter dem Luftfederquerschnitt wird dabei der Innenquerschnitt des Gasdruckraumes verstanden. Diese Berechnung ist besonders einfach und bei über die Höhe konstantem Querschnitt des Gasdruckraumes auch genau. Bei Bedarf können durch feste Zuschlagwerte Gasvolumen in Endbereichen des Gasdruckraumes berücksichtigt werden, bei denen Querschnittsänderungen beispielsweise durch kegelartige, halbkugelförmige oder andere Formgebungen bzw. durch aufgesetzte Endkappen, Ventile oder ähnliches erfolgen.
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Ist der Querschnitt nicht zumindest über den wesentlichen Teil des Gasdruckraumes konstant, so würde jedoch die Volumenermittlung durch Multiplikation eines konstanten Querschnitts mit dem federbezogenen Höhenwert auch unter Berücksichtigung eines Zuschlagwertes zu ungenauen Ergebnissen führen. Für diese Fälle wird daher vorgeschlagen, die wirksame momentane Gasmenge einer der Mehrzahl der Gasdruckfedern als Produkt aus dem aktuell gemessenen Druck und dem aktuell ermittelten Volumen des Gasdruckraumes der Gasdruckfeder zu ermitteln, wobei das aktuell ermittelte Volumen mit Hilfe des aktuell ermittelten federbezogenen Höhenwertes aus einer Tabelle auszulesen ist.
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Auf diese Weise lassen sich besonders einfach beliebige Querschnittsverläufe mit einer beliebigen Genauigkeit abbilden und das Verhältnis von angestrebter Genauigkeit zur Größe der verwendeten Tabelle je nach Anwendungserfordernissen anpassen. Insbesondere bei Federn, welche keine starren Außenwände für den Gasdruckraum aufweisen, wie dies beispielsweise bei Federbälgen der Fall ist, lässt sich die Tabelle mit geringem Aufwand experimentell ermitteln und gegebenenfalls federindividuell erstellen. Gerade für diese Art der Feder kann die Erstellung einer Tabelle daher erheblich einfacher und kostengünstiger sein, als beispielsweise die Erstellung eines formelmäßigen Zusammenhangs zwischen dem federbezogenen Höhenwert und dem jeweiligen Streckenbezogenen oder durchschnittlichen Querschnitt der Feder.
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Andererseits kann insbesondere bei Federn mit starren Außenwänden der Gasdruckkammer die Ermittlung der wirksamen momentanen Gasmenge einer der Mehrzahl der Gasdruckfedern als Produkt aus dem aktuell gemessenen Druck und dem aktuell ermittelten Volumen des Gasdruckraumes der Gasdruckfeder besonders genau und elegant erfolgen, wenn das aktuell ermittelte Volumen mit Hilfe einer die Geometrie des Gasdruckraumes abbildenden Funktion zwischen dem aktuellen federbezogenen Höhenwert und dem Volumen des Gasdruckraumes der Feder ermittelt wird.
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Es wurde bereits erwähnt, das ein einwesentlicher Vorteil einer Druckmesszeit der einzelnen Feder von einer oder mehreren Sekunden darin zu sehen ist, dass zum Beispiel durch den Fahrbetrieb bedingte kurzzeitige Schwankungen und Spitzen im Gasdruck egalisiert werden können. Hierzu können grundsätzlich alle hierfür geeigneten Verfahren wie etwa die mathematische Berechung verschiedener Mittel- und Durchschnittswerte verwendet werden.
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Besonders einfach und kostengünstig ist es jedoch, das Signal der berechneten wirksamen momentanen Gasmenge einer der Mehrzahl der Gasdruckfedern durch eine Tiefpassfilterung zu glätten. Der schaltungstechnische Aufwand hierfür ist minimal und das Ergebnis zumeist ausreichend genau. Bei Bedarf kann die Filterzeitkonstante abhängig von der Fahrsituation oder den ermittelten Ergebnissen angepasst werden, um entweder durch Verkürzung eine größere Anzahl von Ergebnissen pro Zeit zu erhalten, oder durch Verlängerung den Einfluss einzelner Ereignisse, wie beispielsweise das Überrollen eines Brettes mit hoher Geschwindigkeit oder das Auffahren auf einen Bordstein, abzuschwächen.
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Alternativ zu diesem Verfahren der Glättung durch Tiefpassfilterung kann an Stelle des Signals des aktuell gemessenen Druckes ein durch eine Tiefpassfilterung des Signals des aktuell gemessenen Druckes erhaltendes Signal verwendet werden und/oder an Stelle des Signals des aktuellen federbezogenen Höhenwertes ein durch eine Tiefpassfilterung dieses Signals erhaltendes Signal verwendet werden. Ob eine Glättung durch Tiefpassfilterung bereits bei den Rohdaten wie Drucksignal und Höhensignal bzw. dem Signal der federbezogenen Höhe, oder erst nach einer Verarbeitung dieser Signale zu einem Gasmengensignal günstiger ist, muss dabei im Einzelfall entschieden werden. Selbstverständlich kann auch nach einer erfolgten Tiefpassfilterung der Signale für Druck und/oder Höhe bzw. federbezogener Höhe das Ergebnissignal der wirksamen Gasmenge nochmals durch eine Tiefpassfilterung geglättet werden.
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Wenn die Temperatur der wirksamen Gasmenge gemessen und/oder berechnet werden kann, so kann vorteilhaft der Einfluss der Temperatur bei der Ermittlung der wirksamen Gasmenge berücksichtigt werden. Da sich unter bestimmten Fahrbedingungen, wie beispielsweise einer schnellen Fahrt auf sehr unebener Straße, das wirksame Gasvolumen innerhalb der Feder erheblich erwärmen kann, kommt es ohne Berücksichtigung der Temperatur der wirksamen Gasmenge durch eine Ausdehnung des Gases bei gleichem Druck bzw. durch Druckanstieg bei gleichem Volumen zu einer ungenauen Ermittlung der wirksamen Gasmenge.
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Diese Ungenauigkeit kann bei bekannter Temperatur der wirksamen Gasmenge leicht mit Hilfe von dem Fachmann geläufigen Berechnungen vermieden werden. Dabei kann die Temperatur direkt gemessen oder aus anderen bekannten Größen, wie etwa der Anzahl und Stärke der Druckveränderungen je Zeiteinheit oder die Summe der Druckänderungen über einen betrachteten Zeitraum, berechnet oder abgeschätzt werden. Zumeist dürfte hier eine relativ grobe Berücksichtigung der Temperatur etwa durch Temperaturbereiche und zugeordnete Korrekturfaktoren genügen. Grundsätzlich ist jedoch auch eine genaue Berechnung des Temperatureinflusses mit Hilfe der geläufigen Gesetze und Berechnungen der Thermodynamik möglich.
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Während vorstehend die besonderen Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens erläutert wurden, soll nachfolgend eine erfindungsgemäße Vorrichtung und deren besondere Vorteile beschrieben werden.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass eine Mehrzahl von Gasdruckfedern vorgesehen ist, und dass für die Messung der Gasdrücke der Mehrzahl der Gasdruckfedern für jeweils zwei oder mehr Gasdruckfedern nur ein Drucksensor vorhanden ist, welcher mit jeweils genau einer dieser Gasdruckfedern derart verbindbar ist, dass der Duck im Innern des Gasdruckraumes dieser Gasdruckfeder messbar ist, und dass das Signal dieses Drucksensors eine Eingangsgröße für eine Gasmengenermittlungsvorrichtung bildet. Auf diese Weise kann die Anzahl der Drucksensoren vorteilhaft verringert werden, wodurch gleichzeitig der Verkabelungsaufwand minimiert wird und Kalibrierungsprobleme zumindest stark reduziert werden.
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Weiter zeichnet sich die Vorrichtung dadurch aus, dass Höhenmessvorrichtungen im Bereich der Gasdruckfedern vorgesehen sind, deren Signale Eingangsgrößen für die Gasmengenermittlungsvorrichtung bilden, und dass in der Gasmengenermittlungsvorrichtung eine Umwandlungseinrichtung zur Umwandlung der gemessenen Höhenwerte in federbezogene Höhenwerte vorgesehen ist.
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Diese Umwandlung kann zum Beispiel aus der Addition oder Subtraktion eines Festwertes bestehen, wenn bei einer zylinderförmigen Gasdruckfeder der gemessene Höhenwert um einen konstanten Wert von dem federbezogenen Höhenwert abweicht. Im einfachsten Fall nämlich für den Sonderfall, dass der federbezogene Höhenwert stets genau dem gemessenen Höhenwert entspricht, kann diese Einrichtung aus einem elektrischen Verbindungsleiter bestehen, wobei das Signal auf der Eingangsseite das gemessene Höhensignal ist und das Signal auf der Ausgangsseite des Leiters als federbezogener Höhenwert definiert wird. Häufiger wird es jedoch der Fall sein, dass zwischen den beiden Werten eine Beziehung besteht, welche zumindest durch eine festen Korrekturfaktor, oft aber auch durch eine kompliziertere Beziehung definiert ist. Wenn beispielsweise die Messtrecke für den gemessenen Höhenwert zu der Bewegungsrichtung der Feder einen Winkel bildet, so kann dies durch Kreisfunktionen berücksichtigt werden.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich weiter dadurch aus, dass die Gasmengenermittlungsvorrichtung über eine Volumenermittlungseinrichtung verfügt, und dass dieser Volumenermittlungseinrichtung eine Speichereinrichtung für Tabellenwerte und/oder Berechnungsvorschriften zugeordnet ist, deren Inhalte innerhalb der Volumenermittlungsvorrichtung zur Ermittlung der Volumen der wirksamen Gasmengen der Gasdruckfedern aus den federbezogenen Höhenwerten verwendbar sind.
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Diese Speichereinrichtung braucht nicht räumlich von anderen Teilen der Gasmengenermittlungsvorrichtung getrennt zu sein. Im einfachsten Fall einer zylindrischen Gasdruckfeder kann diese Speichereinrichtung in der Speicherung der Anweisung einer Multiplikation der Grundfläche des Federgasraumes mit der federbezogenen Höhe bestehen. In diesem Fall kann die Speichereinrichtung im einfachsten Fall aus einer festverdrahteten Schaltung bestehen.
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Zumeist werden die zu speichernden Berechungsvorschriften jedoch komplizierter sein, da beispielsweise im oberen Bereich des Gasdruckraumes von Federn zumeist ein Totraum vorhanden ist, dessen Querschnitt durch Deckel, Dichtungen, Ventile und ähnliches nicht der Grundfläche des Gasdruckraumes entspricht. Verändert der Gasdruckraum beispielsweise bei unterschiedlichem Füllvolumen seine Form, wie dies bei Gasfedern nach Art eines Balges üblich ist, so können mehr oder weniger umfangreiche Berechnungsvorschriften abgelegt werden, um das Volumen mit der gewünschten Genauigkeit zu ermitteln. Alternativ oder in Kombination können auch Wertetabellen abgespeichert werden, die das Verhältnis zwischen der Höhe und dem Volumen des Gasdruckraumes wiedergeben.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass zur Verbindung von jeweils genau einer Gasdruckfeder mit dem Drucksensor Ventile und Leitungen zur Verbindung der Gasdruckfeder mit dem nur einen Drucksensor vorgesehen sind, wobei sowohl die Leitungen als auch die Ventile zur Zufuhr von Gas aus einer Gasquelle und zur Abgabe von Gas in eine Gassenke schaltbar sind, und wobei die Ventile von einer zentralen Stelle aus schaltbar sind. Hierdurch können die ohnehin für die Bestimmung der wirksamen Gasmenge vorhandenen Ventile und Leitungen vorteilhaft auch zur Änderung der wirksamen Gasmenge der Gasfedern verwendet werden. Dadurch, dass die Ventile von einer zentralen Stelle aus schaltbar sind, kann der Aufwand für eine ansonsten notwendige Kommunikation mehrerer Steuergeräte untereinander entfallen.
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Wird eine Gasdruckfeder zum Beispiel bei Überfahrung einer Bodenunebenheit in kurzer Zeit verkürzt, so liegt das entsprechende Wegsignal des Höhenwertes zumeist in Echtzeit vor. Das Signal des Gasdrucks kann sich dem gegenüber durch Elastizitäten und Leitungswege verzögert ändern. Das ermittelte Signal der wirksamen Gasmenge kann aus diesem und aus anderen Gründen kurzfristigen Schwankungen unterworfen sein, die nicht einer realen Änderung der wirksamen Gasmenge im gleichen Umfang entsprechen.
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Es ist daher besonders vorteilhaft, wenn zumindest ein Tiefpassfilter vorgesehen ist, durch welchen zumindest entweder das Signal der wirksamen Gasmenge und/oder das Signal des gemessenen Höhenwertes und/oder das Signal des federbezogenen Höhenwertes und/oder das Signal des Gasdrucks gefiltert wird. Selbstverständlich können bei Bedarf auch mehrere Tiefpassfilter vorgesehen sein, welche mehrere der genannten Signale glätten. Auch ist grundsätzlich eine andere Art der Glättung bzw. eine Mittelung der Signale z.B. durch mathematische Verfahren der Mittelwertbildung möglich. Die Tiefpassfilterung besitzt jedoch den Vorteil, apparativ besonders einfach, kostengünstig und robust zu sein.
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Unter bestimmten Fahrbedingungen, wie beispielsweise einer schnellen Fahrt auf sehr unebener Straße, wird das wirksame Gasvolumen innerhalb der Federn erheblich erwärmt. Dadurch kann es ohne Berücksichtigung der Temperatur der wirksamen Gasmenge durch Ausdehnung des Gases bei gleichem Druck bzw. durch Druckanstieg bei gleichem Volumen zu einer ungenauen Ermittlung der wirksamen Gasmenge kommen. Diese Ungenauigkeit kann bei bekannter Temperatur der wirksamen Gasmenge leicht mit Hilfe von dem Fachmann geläufigen Berechnungen vermieden werden.
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Es ist daher in einer anderen Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen, dass Mittel zur Erfassung einer Temperatur der wirksamen Gasmenge und/oder Mittel zur Berechnung oder Abschätzung der Temperatur der wirksamen Gasmenge vorgesehen sind, und die erfasste und/oder berechnete Temperatur der wirksamen Gasmenge in der Gasmengenermittlungsvorrichtung bei der Ermittlung der wirksamen Gasmenge berücksichtigt wird.
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Ein Ausführungsbeispiel und weitere Vorteile der Erfindung werden im Zusammenhang mit der nachstehenden Figur erläutert, darin zeigt:
- 1 eine Gasfederniveauregelanlage in schematischer Darstellung
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1 zeigt in stark schematisierter Darstellung eine Niveauregelanlage in Form einer Gasfederniveauregelanlage für ein Kraftfahrzeug, wobei nur die für die nachfolgenden Erläuterungen notwendigen Bestandteile gezeigt sind. Die Gasfederniveauregelanlage verfügt über Gasdruckfedern 2a, 2b, die der Vorderachse des Kraftfahrzeuges zugeordnet sind, und über Gasdruckfedern 2c, 2d, die der Hinterachse des Kraftfahrtzeuges zugeordnet sind. Mit den Gasdruckfedern 2a bis 2d ist ein (nicht gezeigter) Fahrzeugaufbau des Kraftfahrzeuges gegenüber den Achsen federnd gelagert. Die Gasdruckfedern 2a, 2b stehen über eine Querleitung 4a und die Gasdruckfedern 2c, 2d über eine Querleitung 4b miteinander in Verbindung. Jede Querleitung 4a, 4b enthält zwei Ventile 6a, 6b und 6c, 6d, von denen jeweils eins einer Gasdruckfeder 2a bis 2d zugeordnet ist. Darüber hinaus steht die Querleitung 4a, 4b mit einer weiteren Leitung 8 in Verbindung, über die die Gasdruckfedern 2a bis 2d mit Hilfe des Gasquelle 12 mit Druckgas befüllt werden. Dazu werden von der Gasmengenermittlungsvorrichtung 10 der Gasfederniveauregelanlagen die Steuereingänge der entsprechenden Ventile 6a bis 6d, 14 sowie die Gasquelle 12 angesteuert. Oder es wird über die Druckgas aus den Gasdruckfedern 2a bis 2d über das dann angesteuerte Ablassventil 14 in eine Gassenke 15 abgelassen. Die Gassenke 15 kann einem Druckspeicher oder der Atmosphäre entsprechen.
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Durch die in der 1 gezeigte Gasfederniveauregelanlage kann in an sich bekannter Art und Weise das Sollniveau des Fahrzeugaufbaus unabhängig vom Beladungszustand des Kraftfahrzeuges eingehalten werden. Weiterhin ist die Ermittlung der in der Gasfederniveauregelanlage enthaltenen Gasmenge möglich. Dazu wird über die den Gasfedern 2a, 2b, 2c, 2d zugeordneten Höhenmessvorrichtungen 16, 18, 20, 22 der federbezogene Höhenwert der jeweiligen Gasfeder 2a, 2b, 2c, 2d von der Gasmengenermittlungsvorrichtung (10) ermittelt und in federbezogene Höhenwerte umgewandelt. Zusätzlich wird der Gasdruck in jeder der Gasdruckfedern 2a, 2b, 2c, 2d durch den Drucksensor 24 ermittelt. Der Gasdruck in den einzelnen Gasdruckfedern 2a, 2b, 2c, 2d und die federbezogenen Höhenwerte werden von der Gasmengenermittlungsvorrichtung 10 an eine in dieser integrierten Volumenermittlungseinrichtung 11 weitergeleitet. Die Volumenermittlungseinrichtung 11 setzt die federbezogenen Höhenwerte mit Tabellenwerten der einzelnen Gasdruckfedern2a, 2b, 2c, 2d, welche die Querschnittsfläche der jeweiligen Gasdruckfeder 2a, 2b, 2c, 2d gegenüber dem federbezogenen Höhenwert wiedergeben, in Beziehung, um die Volumina der Gasdruckfedern 2a, 2b, 2c, 2d zu ermitteln. In der Volumenermittlungseinrichtung 11 wird aus den Gasdrücken und den Gasvolumina der einzelnen Gasdruckfedern 2a, 2b, 2c, 2d und den bekannten Volumina der Leitungen 4a, 4b, 8 die in der Gasfederniveauregelanlage vorhandene Gasmenge berechnet und an die Gasmengenermittlungvorrichtung 10 weitergeleitet. Die in die Gasmengenermittlungvorrichtung 10 eingehenden oder ausgehenden Signal können von einem internen und nicht dargestellten Filter, z.B. Tiefpassfilter, gefiltert werden, um störende Signalanteile auszukopplen.
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Da die ermittelte Gasmenge eine von der Temperaur abhängige Größe darstellt, kann die Gasfederniveauregelanlage Mittel zur Erfassung der Temperatur 26 enthalten, welche beispielsweise als Temperatursensoren ausgebildet sein können. Die Signale des Mittels zur Temperaturerfassung 26 sind mit der Gasmengenermittlungsvorrichtung 10 verbunden und werden von dieser, gefiltert oder ungefilterte, an die Volumenermittlungsvorrichtung 11 weitergeleitet und können entsprecht der Gasgesetze von der Volumenermittlungsvorrichtung 11 bei der Ermittlung der Gasmenge der Gasfederniveauregelanlage berücksichtigt werden. Die von dem Mittel zur Erfassung der Temperatur 26 ermittelte Temperatur kann der Temperatur der Atmosphäre des Kraftfahrzeuges oder der Gastemperatur in mindestens einer der Gasdruckfedern 2a, 2b, 2c, 2d der Gasfederniveauregelanlage entsprechen.
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Bezugszeichenliste
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(ist Teil der Beschreibung)
- 2a, 2b, 2c, 2d
- Gasdruckfedern
- 4a, 4b
- Leitung
- 6a, 6b, 6c, 6d
- Ventile
- 8
- Leitung
- 10
- Gasmengenermittlungsvorrichtung (Zentraleinheit)
- 11
- Volumenermittlungseinrichtung
- 12
- Gasquelle
- 14
- Ablassventil
- 15
- Gassenke
- 16, 18; 20, 22
- Höhenmessvorrichtungen
- 24
- Drucksensor
- 26
- Mittel zur Erfassung der Temperatur
- 28
- Signalleitung
