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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft einen Sensor zur Erfassung der Niveaulage eines durch eine Luftfeder abgestützten Aufbaus, insbesondere bei einem Kraftfahrzeug, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Zur Lagerung und Federung von Fahrzeugen oder Fahrerkabinen werden Luftfedern oder Luftfederdämpfer verwendet, die unabhängig von der Beladung eine oder mehrere definierte Niveaulagen der Fahrzeugkarosserie bzw. der Fahrerkabine einzustellen erlauben. Für diesen Einstellvorgang ist eine Ermittlung der jeweils aktuellen Niveaulage erforderlich. Hierfür sind mehrere Möglichkeiten bekannt.
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Stand der Technik
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So zeigt beispielsweise die
DE 102 00 553 C1 eine Luftfeder mit einem integrierten Steuerventil, welches durch ein mechanisches Steuerelement betätigt wird. Das Steuerventil öffnet oder schließt eine Druckluftzufuhr zur Leitung in den Federraum. Die Zufuhrleitung ist mit einem Kompressoraggregat verbunden, so dass die eingestellte Niveaulage aufrecht erhalten wird.
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Eine andere Möglichkeit, um ein gewünschtes Niveau des Fahrzeugs oder des Fahrerhauses bei unterschiedlicher Belastung konstant zu halten oder einstellbar zu verändern, ist in der
DE 44 06 607 A1 gezeigt. Dort wird das Steuerventil über eine Hülse und ein Stellorgan ebenfalls mechanisch verstellt, und in Abhängigkeit der Stellung des Ventils wird die Luftkammer mit einer Druckquelle oder einem Auslass verbunden. Die Luftfeder ist hier mit einem Stoßdämpfer verbunden, so dass die Einrichtung ein Federbein/Dämpferbein darstellt. Von Nachteil ist bei dieser Ausführungsform, dass die kardanischen Bewegungen des Stoßdämpfers in Bezug zur Luftfeder stark behindert werden.
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Bei einer besonderen Ausführungsform einer Luftfeder mit umschaltbarer Federsteifigkeit und einer in die Hauptluftkammer eingefüllten bestimmten Menge an Flüssigkeit wird der Flüssigkeitsstand von einem in die Flüssigkeit eintauchenden Niveausensor erfasst und das sich daraus ergebende Signal zur Weiterverarbeitung in einer Niveauregelung oder Wandregelung verwendet, siehe
DE 40 18 712 A1 . Abgesehen davon, dass es sich hier um eine spezielle Ausführungsform einer Luftfeder mit in die Luftkammer eingefüllter Flüssigkeit handelt, wird in der Druckschrift auf die Ausgestaltung des Niveausensors nicht näher eingegangen. Den Ausführungen ist nur zu entnehmen, dass der Niveausensor stabförmig ausgebildet ist und von oben her in den Bereich der Hauptluftkammer hineinragt, dabei mit seinem wirksamen Sensorbereich in die Flüssigkeit eintaucht und alle Flüssigkeitsniveaus vom Hochniveau bis zum Tiefniveau umfasst. Dabei wird jeweils die Lage der Flüssigkeitsoberfläche gemessen.
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Um die mit den oben angeführten bekannten Niveauregelungen verbundenen Nachteile zu umgehen, werden elektronische Winkelsensoren eingesetzt, die räumlich getrennt von der Luftfeder am Fahrzeug angeordnet sind. Über diese Winkelsensoren werden die Ventile für die Niveauregelung betätigt. Diese Winkelsensoren sind mechanisch unzureichend geschützt, da sie als zusätzliche Bauteile am Fahrzeug montiert sind.
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Ein gattungsbildender Sensor geht aus
DE 39 39 098 A1 hervor. Der Sensor ist innerhalb einer Luftfeder einer Stoßdämpfereinheit für Fahrzeuge angeordnet und als induktiver Sensor mit einer Induktionsspule ausgebildet. Das Stoßdämpfergehäuse wirkt dabei als Spulenkern für die Induktionsspule. Je nach Eintauchtiefe des Stoßdämpfergehäuses in die Induktionsspule wird die Induktion und damit der elektrische Strom, der in die Induktionsspule fließt, geändert.
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Darstellung der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zu schaffen, mit der die Niveaulage eines durch eine Luftfeder abgestützten Aufbaus sicher ermittelt und den Steuereinrichtungen für die Niveaulage mitgeteilt werden kann. Dabei sollen die benutzten Teile der Einrichtung einfach in ihrem Aufbau sein, eine lange Lebensdauer haben und weitgehend vor äußeren mechanischen Einflüssen geschützt sein.
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Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Die Unteransprüche 2 bis 8 stellen vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgedankens dar.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird zur Erfassung der Niveaulage eines durch eine Luftfeder mit Rollbalgdeckel und Abrollkolben abgestützten Aufbaus, insbesondere eines Kraftfahrzeugs ein Sensor verwendet, der als induktiver Wegsensor aus wenigstens einer elektrischen Sensorspule und einem in der axialen Öffnung der Sensorspule bzw. Sensorspulen axial verschiebbaren magnetisierten Tauchankers besteht. Dieser Wegsensor ist innerhalb der Luftfeder angeordnet und damit vor äußeren Einflüssen geschützt und darüber hinaus kann die Niveaumessung direkt am Bauteil mit hoher Genauigkeit und Dynamik erfolgen.
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Die Sensorspulen sind von einer nichtmagnetischen neutralen Einfassung umgeben. Diese Einfassung kann beispielsweise durch einen aus einem Kunststoff bestehenden Abrollkolben gebildet werden.
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Als Tauchanker wird ein steifer magnetisierter Abschnitt verwendet an den ein elastisch biegsamer neutraler Stab anschließt. Dabei stellt der steife Abschnitt den Tauchanker dar, während der biegsame Abschnitt einen Zug-Schub-Teil darstellt. Die Länge des Tauchankers wird so gewählt, dass sie der maximalen Eintauchtiefe des Tauchankers entspricht. Bevorzugt wird die Länge des Tauchankers jedoch auf die Länge des Federwegs der Luftfeder abgestellt. Der bei voll eingefahrenem Tauchanker außerhalb der Einfassung liegende Abschnitt des Stabes stellt den biegsamen Abschnitt dar, der mit seinem Ende am Deckel der Luftfeder befestigt ist. In sehr einfacher Ausführung kann der Stab aus einem Kunststoffrohr hergestellt sein, das einen versteiften Abschnitt mit einer magnetischen Füllung hat.
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Eine sehr günstige Ausführungsform wird dadurch erreicht, dass die Sensorspulen als Differenzialdrosselspulen angeordnet sind. Hier werden zwei gleiche Spulen symmetrisch nebeneinander angeordnet und das untere Ende eines Kunststoffrohres als magnetischer Kern ausgebildet und in die axiale Öffnung zwischen die Sensorspulen eingeführt. Dabei wird der Tauchanker bei einer vorgegebenen Nullposition genau in der Mitte zwischen den beiden Spulen eingeführt. Der magnetische Kern ist in seiner Länge etwas kürzer als die Länge einer Differenzialdrosselspule. Die in axialer Richtung erfolgenden Bewegungen des Kerns werden als Signale der Steuerung für die Druckluftzufuhr mitgeteilt, so dass die Niveauregelung durchgeführt werden kann. Nach diesem Prinzip können Wegsensoren mit sehr kleinen bis zu großen Messwegen gebaut werden. Außerdem kann die Schaltungstechnik einfach gestaltet sein.
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Durch die Erfindung können gezielt verschiedene zuvor definierte Fahrzeugniveaulagen eingestellt werden, wie sie beispielsweise bei Nutzfahrzeugen für Be- und Entladevorgänge an Laderampen notwendig sind. Die Verarbeitung der von dem Wegsensor ausgehenden Signale erfolgt über an sich bekannte Steuergeräte mit Magnetventilen und Druckluftleitungen, welche an ein Luftversorgungssystem angeschlossen sind. Die Wegsensoren sind vor Schmutz, Öl, Wasser und anderen schädlichen Umgebungsbedingungen geschützt. Durch die Verwendung eines biegsamen nichtmagnetischen neutralen Zug-Schub-Stabes haben Störbewegungen in Querrichtung und Verkippungen der Beschlagteile der Luftfeder keinen Einfluss auf den Messvorgang. Dieses kann im besonderen Maße dann erreicht werden, wenn als neutraler Zug-Druck-Stab ein dünnwandiges Rohr aus Kunststoff oder aus einem faserverstärkten Kunststoff verwendet wird. Die zwischen dem Kunststoffrohr und dem aus Kunststoff bestehenden Abrollkolben bzw. einer nichtmagnetischen neutralen Einfassung entstehenden Reibkräfte sind vernachlässigbar, so dass hierdurch keine negative Beeinflussung des dynamischen Federverhaltens der Luftfeder entsteht.
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Die obigen Ausführungen sind mit Bezug auf eine Luftfeder gemacht worden. Sie gelten auch bei einem Einsatz einer Luftfeder in Verbindung mit einem Dämpfer. Die Anbringung des Wegsensors im Federraum des Luftdämpfers ist auch hier ohne Weiteres möglich.
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Kurzbeschreibung der Zeichnung
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In der beigliegenden Zeichnung sind mehrere Möglichkeiten für die Ausführung der Erfindung schematisch dargestellt.
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Es zeigt:
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1a bis 1c in schematischer Darstellung die Anordnung der induktiven Wegmessung innerhalb einer Luftfeder in Nullstellung, in volleingefederter Position und in kardanisch gekippter Position;
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2 den Aufbau eines Wegsensors mit nur einer Spule;
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3 den Aufbau eines Wegsensors mit zwei Differenzialdrosselspulen und
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4 schematisch eine Luftfeder mit einem induktiven Wegsensor, wobei Differenzialdrosselspulen zum Einsatz kommen.
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Ausführung der Erfindung
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Die 1a, 1b und 1c stellen die Anordnung des Wegsensors 1 innerhalb der Luftfeder 2 in schematischer Darstellung dar. Der Sensor 1 besteht in diesem Beispiel aus mehreren elektrischen Spulen 3, die parallel zur Mittelachse 4 der Luftfeder 2 ausgerichtet sind, und dem in der axialen Öffnung 5 im Kolben 6 längsverschiebbar angeordneten magnetisierten Tauchanker 11. Die Luftfeder 2 hat den Rollbalg 8, der mit seinen Enden am oberen Rand des Kolbens 6 und am Deckel 9 befestigt ist. Beim Federvorgang rollt die Schlaufe 10 des Rollbalgs 8 an der Oberfläche des Abrollkolbens 6 ab. Beim Einsatz der Luftfeder 2 bei einem Fahrzeug wird der Kolben mit dem Rad verbunden, während der Deckel an die Karosserie angeschlossen ist. Der Tauchanker 11 ist als Stab 7 ausgebildet, der sich dem Tauchanker 11 aus einem steifen magnetisierten Abschnitt 11 und einem elastisch biegsamen neutralen Abschnitt 12 zusammensetzt. Dabei bildet der steife Abschnitt 11 den Tauchanker 11 und der biegsame Abschnitt 12 ist als Zug-Schub-Stab ausgebildet, der mit seinem oberen Ende 13 am Deckel 9 der Luftfeder 2 befestigt ist. Die Sensorspulen 3 selbst sind im vorliegenden Beispiel von dem aus Kunststoff bestehenden Abrollkolben 6 eingefasst. Es versteht sich, dass bei der Ausbildung des Abrollkolbens 6 aus einem anderen Material die Sensorspulen 3 in einer eigenen nichtmagnetischen neutralen Einfassung unterzubringen sind. Diese Einfassung mit den Spulen ist dann ebenfalls in axialer Richtung parallel zur Längsachse 4 der Luftfeder 2 anzuordnen.
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In der 1a ist die Luftfeder 2 in einer vorgegebenen Niveaulage gezeigt. Der Tauchanker 11 nimmt hierbei eine vorgegebene Position ein. Bei einer Änderung der Niveaulage des Fahrzeugs wird der Tauchanker 11 in der axialen Öffnung 5 verschoben.
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Die 1b zeigt eine Position des Tauchankers 11, bei der er voll in die Öffnung 5 eingeschoben ist. Diese Veränderung der Niveaulage wird einer an sich bekannten Steuereinrichtung über das vom Tauchanker 11 vorgegebene Signal mitgeteilt, und erfolgt eine Neueinstellung der Niveaulage.
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Die 1c zeigt eine Situation, bei der die Luftfeder 2 eine kardanisch gekippte Position eingenommen hat. Hier wird sichtbar, dass der biegsame Abschnitt 12 des Stabs 7 der kardanischen Bewegung folgen kann, während der steife Abschnitt 11 in seiner durch die Öffnung 5 vorgegebenen axialen Lage verbleibt.
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Die Länge des steifen Abschnitts 11 und damit des Tauchankers wird so gewählt, dass sie der maximalen Eintauchtiefe des Tauchankers 11 in die Öffnung 5 entspricht. Diese Länge des steifen Abschnitts 11 kann aber auch so bemessen werden, dass sie der Länge des Federwegs der Luftfeder 2 entspricht. Der Federweg der Luftfeder 2 wird durch den Abstand zwischen der maximalen Einfederung und maximalen Ausfederung der Luftfeder 2 bestimmt. Die Länge des biegsamen Abschnitts 12 des Stabes 7 wird durch den Abstand zwischen Deckel 9 und Kolben 6 vorgegeben. Dabei muss der Stab 7 auch bei voll ausgefederter Luftfeder und gegebenenfalls auch noch bei einem zusätzlichen Liftvorgang beispielsweise bei der Ausrichtung der Ladefläche an Lastfahrzeugen noch mit seinem unteren Ende dem Tauchanker 11 in die axiale Öffnung 5 hineinragen.
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In den 2 und 3 sind zwei verschiedene Varianten für die Ausbildung der Wegsensoren 1 dargestellt. Dabei zeigt die 2 eine Ausbildung mit einer Spule 3 mit der Öffnung 5, in die der Tauchanker 11 in axialer Richtung verschoben wird und dabei entsprechende Signale an ein Steuerventil abgibt. Die Signale werden über die Leitung 14 an ein entsprechendes Stellventil weitergeleitet. Der Tauchanker 11 bildet den steifen Abschnitt des Stabes 7. Am Tauchanker 11 schließt der biegsame Abschnitt 12 an.
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Eine für viele Fälle besonders günstige Ausbildung des Wegsensors 1 ist in der 3 gezeigt, bei der die Sensorspulen 3 als Differenzialdrosselspulen angeordnet sind. Der Tauchanker 11 befindet sich in einer Mittellage zwischen den oberen Spulen 3 und den unteren Spulen 3', bei einer Verschiebung aus dieser Mittellage werden Signale an entsprechende Stellorgane für die Einstellung der Niveaulage weitergeleitet. Bei dieser Ausführungsform ist zu beachten, dass die Länge des magnetischen Kerns des Tauchankers 11 etwas kürzer als die Länge der Differenzialdrosselspulen ist.
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Die 4 zeigt den Einsatz der Differenzialdrosselspulen 3, 3' bei einer Luftfeder 2. Der Aufbau der Luftfeder 2 und des Wegsensors 1 entspricht im Grundsatz dem Aufbau von Luftfeder 2 und Wegsensor 1 nach der 1a mit dem Unterschied, dass hier als Sensorspulen Differenzialdrosselspulen 3, 3' verwendet werden.
