DE102010017638B4 - air spring - Google Patents
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Abstract
Luftfeder (1) mit einer Vorrichtung zur Energiegewinnung (10), wobei die Vorrichtung zur Energiegewinnung (10) der Luftfeder (1) eine als druckfestes, luftdichtes Gehäuse ausgebildete Druckkammer (13) mit mindestens zwei elastischen Wänden (12) aufweist, wobei auf jeder der mindestens zwei elastischen Wände (12) mindestens ein Piezoelement (15) angeordnet ist und die Vorrichtung zur Energiegewinnung (10) im Inneren der Luftfeder (1) angeordnet ist, wobei die Druckkammer (13) einen Innendruck aufweist, der mit dem Nenn-Innendruck der Luftfeder (1) nahezu gleich ist, wobei bei Veränderungen des Innendrucks der Luftfeder (1) gegenüber dem Innendruck der Druckkammer (13) die elastischen Wände (12) verformbar sind, wobei durch die Piezoelemente (15) eine elektrische Spannung erzeugbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass. die Luftfeder (1) einen elektronischen ExtremwertDetektor (19), einen Mikrocontroller (20) und einen nicht flüchtigen Speicher (23) aufweist, wobei der Extremwertdetektor (19) mit den Piezoelementen (15) der Vorrichtung zur Energiegewinnung (10) in direkter elektrischer Wirkverbindung steht und die Spannungssignale der Piezoelemente (15) durch den Extremwertdetektor (19) messbar sind, wobei jeder vom Extremwertdetektor (19) gemessene Spannungs-Extremwert in Form eines elektrischen Rechteckimpulses an den mit den Extremwertdetektor (19) elektrisch gekoppelten Mikrocontroller (20) übergebbar ist und die Anzahl der Rechteckimpulse durch den Mikrocontroller (20) zählbar und die Summe der gezählten Rechteckimpulse in dem elektronischen Speicher (23) speicherbar ist.Air spring (1) with a device for generating energy (10), the device for generating energy (10) of the air spring (1) having a pressure chamber (13) designed as a pressure-resistant, airtight housing with at least two elastic walls (12), each at least one piezo element (15) is arranged in the at least two elastic walls (12) and the device for generating energy (10) is arranged inside the air spring (1), the pressure chamber (13) having an internal pressure which corresponds to the nominal internal pressure of the air spring (1) is almost the same, with changes in the internal pressure of the air spring (1) compared to the internal pressure of the pressure chamber (13), the elastic walls (12) being deformable, with an electrical voltage being able to be generated by the piezo elements (15), thereby characterized in that the air spring (1) has an electronic extreme value detector (19), a microcontroller (20) and a non-volatile memory (23), the extreme value detector (19) being connected to the piezo elements (15) of the device for generating energy (10) is in direct electrical operative connection and the voltage signals of the piezoelectric elements (15) can be measured by the extreme value detector (19), each extreme value of voltage measured by the extreme value detector (19) being transmitted in the form of an electrical square-wave pulse to the microcontroller ( 20) can be transferred and the number of square-wave pulses can be counted by the microcontroller (20) and the sum of the counted square-wave pulses can be stored in the electronic memory (23).
Description
Die Erfindung betrifft eine Luftfeder mit einer Vorrichtung zur Energiegewinnung.The invention relates to an air spring with a device for generating energy.
Vorrichtungen zur Energiegewinnung werden auch als „energy harvester“ bezeichnet und beispielsweise für die Stromversorgung von Reifensensoren zum Einsatz gebracht.Devices for generating energy are also referred to as "energy harvesters" and are used, for example, to supply power to tire sensors.
Eine typische Vorrichtung dieser Art ist in der
Auch in Luftfedern werden in zunehmendem Maße elektronische Sensoren sowie Speicher-und Sendemodule eingesetzt, die neben den physikalischen Größen wie Druck oder Hub auch die Lastwechselzahlen ermitteln sollen.Electronic sensors and storage and transmission modules are also being used to an increasing extent in air springs, which are intended to determine the number of load cycles in addition to the physical variables such as pressure or stroke.
Dazu ist bisher meist eine externe Energiequelle notwendig. Die Sensoren sind dabei häufig in der elastischen Balgwand angeordnet. Eine derartige Luftfeder ist beispielsweise in der bisher unveröffentlichten Anmeldung 10 2009 044 627. 3 (veröffentlicht als
Es sich jedoch nicht immer vorteilhaft, die elektronischen Elemente in der Balgwand anzuordnen, da der zur Verfügung stehende Raum dadurch sehr begrenzt ist. Außerdem ist eine separate Energiezufuhr mit zusätzlichem Aufwand verbunden.However, it is not always advantageous to arrange the electronic elements in the bellows wall since the space available is very limited as a result. In addition, a separate energy supply is associated with additional effort.
Bei Luftfedern treten meist Drücke ab 4bar auf. Die Luftdruckschwankungen in der Luftfeder sind außerdem deutlich größer als in Reifen, da die Luftfedern z.T. erhebliche Hübe ausführen. Die Hubfrequenz liegt dabei deutlich niedriger als in Reifen. Eine Lösung wie in der
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Zählung der Lastwechsel der Luftfeder zu vereinfachen und die bekannten elektronischen Systeme zur Energiegewinnung für den Einsatz in Luftfedern zu optimieren.The object of the invention is to simplify counting of the load changes of the air spring and to optimize the known electronic systems for generating energy for use in air springs.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Vorrichtung zur Energiegewinnung der Luftfeder eine als druckfestes, luftdichtes Gehäuse ausgebildete Druckkammer mit mindestens zwei elastischen Wänden aufweist, wobei auf jeder der mindestens zwei elastischen Wände mindestens ein Piezoelement angeordnet ist und die Vorrichtung zur Energiegewinnung im Inneren der Luftfeder angeordnet ist, wobei die Druckkammer einen Innendruck aufweist, der mit dem Nenn-Innendruck der Luftfeder nahezu gleich ist, wobei bei Veränderungen des Innendrucks der Luftfeder gegenüber dem Innendruck der Druckkammer die elastischen Wände verformbar sind, wobei durch die Piezoelemente eine elektrische Spannung erzeugbar ist.This object is achieved in that the device for generating energy from the air spring has a pressure chamber designed as a pressure-resistant, airtight housing with at least two elastic walls, with at least one piezo element being arranged on each of the at least two elastic walls and the device for generating energy inside the air spring is arranged, wherein the pressure chamber has an internal pressure which is almost the same as the nominal internal pressure of the air spring, the elastic walls being deformable when the internal pressure of the air spring changes in relation to the internal pressure of the pressure chamber, and an electrical voltage being able to be generated by the piezo elements.
Eine derartige Vorrichtung ist durch Variation der Größe und des Innendrucks gut auf die statischen und dynamischen Druckverhältnisse in einer Luftfeder abstimmbar. Durch die relativ großen Druckunterschiede in einer Luftfeder sind die Verformungen der elastischen Wände der Druckkammer genügend groß, dass durch die Piezoelemente eine belastbare elektrische Spannung erzeugbar. Eine Übertragungsmechanik zur Übertragung der Bewegungen der Wände der Druckkammer auf die Piezoelemente kann entfallen.Such a device can be easily adjusted to the static and dynamic pressure conditions in an air spring by varying the size and the internal pressure. Due to the relatively large pressure differences in an air spring, the deformations of the elastic walls of the pressure chamber are large enough for the piezo elements to generate a resilient electrical voltage. A transmission mechanism for transmitting the movements of the walls of the pressure chamber to the piezo elements can be omitted.
In einer Weiterbildung der Erfindung weist die Vorrichtung zur Energiegewinnung die Druckkammer eine als Drossel ausgebildete Öffnung auf, über die der Innenraum der Druckkammer mit dem Innenraum der Luftfeder in Wirkverbindung steht.In a development of the invention, the device for generating energy, the pressure chamber, has an opening designed as a throttle, via which the interior of the pressure chamber is in operative connection with the interior of the air spring.
Eine derartige Drossel ermöglicht eine weiter verbesserte Abstimmung der Druckverhältnisse zwischen Druckkammer und Innenraum der Luftfeder. So sind bei optimaler Auslegung auch Resonanzeffekte nutzbar, die die Energieausbeute der Piezoelemente verbessern.Such a throttle enables a further improved coordination of the pressure conditions between the pressure chamber and the interior of the air spring. With an optimal design, resonance effects can also be used, which improve the energy yield of the piezo elements.
In einer Weiterbildung der Erfindung weist die Vorrichtung zur Energiegewinnung mindestens einen Vollweggleichrichter und einen Spannungsregler auf, wobei die Piezoelemente in Reihe schaltbar sind und die von den Piezoelementen erzeugbaren Spannungen über den Vollweggleichrichter und den Spannungsregler in eine nahezu konstante Versorgungsspannung wandelbar sind.In a development of the invention, the device for generating energy has at least one full-wave rectifier and a voltage regulator, the piezo elements being connectable in series and the voltages that can be generated by the piezo elements being convertible into an almost constant supply voltage via the full-wave rectifier and the voltage regulator.
Durch die Reihenschaltung der Piezoelemente lässt sich eine gegenüber den Einzelspannungen höhere Summenspannung erzeugen. Durch das Gleichrichten und die Regelung ist eine nahezu konstante belastbare Versorgungsspannung erzeugbar, deren zeitlicher Verlauf von den Druckänderungen in der Luftfeder in weiten Bereichen unabhängig ist.By connecting the piezo elements in series, a total voltage that is higher than that of the individual voltages can be generated. By rectifying and controlling, an almost constant, loadable supply voltage can be generated, the course of which over time is largely independent of the pressure changes in the air spring.
In einer Weiterbildung der Erfindung weist die Vorrichtung zur Energiegewinnung einen elektrischen Energiespeicher auf.In a development of the invention, the device for generating energy has an electrical energy store.
Der Energiespeicher hat den Vorteil, dass auch bei eher geringen Druckänderungen in der Luftfeder, bei denen nur geringe Spannungen durch die Piezoelemente erzeugt werden, die Versorgungsspannung am Ausgang des Energiespeichers mindestens zeitweise konstant bleibt.The energy store has the advantage that the supply voltage at the output of the energy store remains constant at least temporarily, even if the pressure changes in the air spring are relatively small and only low voltages are generated by the piezo elements.
In einer Weiterbildung der Erfindung weist die Luftfeder einen elektronischen ExtremwertDetektor, einen Mikrocontroller und einen nicht flüchtigen Speicher auf, wobei der Extremwertdetektor mit den Piezoelementen der Vorrichtung zur Energiegewinnung in direkter elektrischer Wirkverbindung steht und die Spannungssignale der Piezoelemente durch den Extremwertdetektor messbar sind, wobei jeder vom Extremwertdetektor gemessene Spannungs-Extremwert in Form eines elektrischen Rechteckimpulses an den mit den Extremwertdetektor elektrisch gekoppelten Mikrocontroller übergebbar ist und die Anzahl der Rechteckimpulse durch den Mikrocontroller zählbar und die Summe der gezählten Rechteckimpulse in dem elektronischen Speicher speicherbar ist.In a further development of the invention, the air spring has an electronic extreme value detector, a microcontroller and a non-volatile memory, with the extreme value detector being in direct electrical operative connection with the piezo elements of the device for generating energy and the voltage signals of the piezo elements being measurable by the extreme value detector, with each Extreme value detector measured voltage extreme value can be transferred in the form of an electrical square-wave pulse to the microcontroller electrically coupled to the extreme value detector and the number of square-wave pulses can be counted by the microcontroller and the sum of the counted square-wave pulses can be stored in the electronic memory.
Dadurch, dass die Piezoelemente bei jedem Lastwechsel durch die damit verbundenen Druckänderungen eine Spannungsspitze erzeugen, lässt sich die Vorrichtung zur Energiegewinnung neben der Erzeugung von Energie für weitere Sensoren auch direkt als Lastwechselzähler nutzen. Eine separate Anordnung ist dafür nicht mehr erforderlich.Due to the fact that the piezo elements generate a voltage peak with each load change due to the associated pressure changes, the device for generating energy can also be used directly as a load change counter in addition to generating energy for other sensors. A separate arrangement is no longer required for this.
In einer Weiterbildung der Erfindung weist die Luftfeder einen Temperatursensor mit einem Analog-Digital-Wandler (AD-Wandler) auf, der durch die Vorrichtung zur Energiegewinnung mit Energie versorgbar ist, und dessen Signale über den AD-Wandler an den Mikrocontroller übergebbar sind, wobei durch den Mikrocontroller aus der vom Extremwertdetektor übernommenen Anzahl der Rechteckimpulse und den vom AD-Wandler des Temperatursensors übernommenen korrespondierenden Temperaturwerten ein Belastungsbeiwert errechenbar und in dem nicht flüchtigen Speicher ablegbar ist.In a development of the invention, the air spring has a temperature sensor with an analog-to-digital converter (AD converter), which can be supplied with energy by the device for generating energy, and whose signals can be transmitted to the microcontroller via the AD converter, with a load coefficient can be calculated by the microcontroller from the number of square-wave pulses received from the extreme value detector and the corresponding temperature values received from the AD converter of the temperature sensor and can be stored in the non-volatile memory.
Durch die Kombination aus Temperaturwerten und Lastwechselzahlen ist ein schädigungskennzeichnender Beiwert für jede Luftfeder direkt ermittelbar.Through the combination of temperature values and number of load changes, a damage-indicating coefficient can be determined directly for each air spring.
In einer Weiterbildung der Erfindung weist die Luftfeder eine mit dem nicht flüchtigen Speicher und dem Energiespeicher elektrisch verbundene Funkeinrichtung auf.In a development of the invention, the air spring has a radio device that is electrically connected to the non-volatile memory and the energy store.
Mit Hilfe einer Funkeinrichtung sind die in dem Speicher abgelegten Ergebnisse berührungslos und jederzeit abrufbar. Eine separate Spannungsversorgung für die Funkeinrichtung ist nicht erforderlich.With the help of a radio device, the results stored in the memory are contactless and can be called up at any time. A separate power supply for the radio device is not required.
Anhand der Zeichnung wird nachstehend ein Beispiel der Erfindung näher erläutert.An example of the invention is explained in more detail below with reference to the drawing.
Es zeigt
-
1 eine erfindungsgemäße Luftfeder im Längsschnitt, -
2a ,2b eine Druckkammer in zwei Betriebszuständen im Querschnitt, -
3 eine Schaltung zur Energieversorgung und Lastwechselzählung als Prinzipschaubild.
-
1 an air spring according to the invention in longitudinal section, -
2a ,2 B a pressure chamber in two operating states in cross section, -
3 a circuit for energy supply and load change counting as a schematic diagram.
In
In den
Die
Da sich in der Luftfeder der Druck in Abhängigkeit von der Einfederung ständig ändert, wechselt die Druckkammer 11 ihren Zustand entsprechend den Änderungen des Umgebungsdruckes, der dem Innendruck der Luftfeder entspricht. Dadurch verformen sich die elastischen Wände 12 quasi kontinuierlich, wobei die Piezoelemente 15 jeweils elektrische Spannungen erzeugen.Since the pressure in the air spring changes constantly depending on the deflection, the
In
Die aus dem Vollweggleichrichter 16 entnehmbaren elektrischen Signale sind weiterhin in einen Extremwertdetektor 19 übergebbar. Im Extremwertdetektor 19 sind die Signale in Rechteckspannungsimpulse wandelbar, die von einem Mikrocontroller 20 verarbeitbar sind.The electrical signals that can be taken from the full-
Die Schaltung weist weiterhin einen Temperatursensor 21 auf, über den die Temperatur der ihn umgebenden Luft messbar und in einem analogen elektrischen Signal weiterleitbar ist. Das analoge Signal ist an einen Analog-Digitalwandler 22 übergebbar. Im Analog-Digitalwander 22 sind die analogen Signale des Temperatursensors 21 in digitale Impulse wandelbar, die ebenfalls an den Mikrocontroller 20 übergebbar sind. Im Mikrocontroller 20 sind die eingeleiteten Signale kontinuierlich zu Schädigungsbeiwerten berechenbar, die in einem nicht flüchtigen Datenspeicher 23 ablegbar sind.The circuit also has a
Ein Funkmodul 24 ist mit dem Datenspeicher 23 elektrisch verbunden, wobei die im Datenspeicher 23 abgelegten Beiwerte per Funk berührungslos an eine externe, hier nicht gezeigte Auswerteeinheit übertragbar sind.A
BezugszeichenlisteReference List
- 11
- Luftfederair spring
- 22
- Abrollkolbenrolling piston
- 33
- Mantelteiljacket part
- 44
- Bodenteilbottom part
- 55
- Abrollbalgrolling bellows
- 66
- Abschlussplatteend plate
- 77
-
Öffnung in der Abschlussplatte 6Opening in the
end plate 6 - 88th
- Befestigungsbolzenmounting bolts
- 1010
- Vorrichtung zur Energiegewinnung und LastwechselzählungDevice for generating energy and counting load changes
- 1111
- Druckkammerpressure chamber
- 1212
-
elastische Wände der Druckkammer 11elastic walls of the
pressure chamber 11 - 1313
- Druckraumpressure room
- 1414
-
weitere Wände der Druckkammer 11further walls of the
pressure chamber 11 - 1515
- Piezoelementpiezo element
- 1616
- Vollweg-Gleichrichterfull wave rectifier
- 1717
- Spannungsreglervoltage regulator
- 1818
- Energiespeicherenergy storage
- 1919
- Extremwertdetektorextreme value detector
- 2020
- Mikrocontrollermicrocontroller
- 2121
- Temperatursensortemperature sensor
- 2222
- Analog-Digitalwandleranalog to digital converter
- 2323
- Datenspeicherdata storage
- 2424
- Funkmodulradio module
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