DE102012108684A1

DE102012108684A1 - Verfahren zur Steuerung eines Luftfedersystems

Info

Publication number: DE102012108684A1
Application number: DE201210108684
Authority: DE
Inventors: Siegfried Reck; Ralf Schimmel; Heinz-Friedrich Ohm; Ulrich Roskoni; Hubertus Gawinski; Andreas Dienst; Johannis Sfendonis
Original assignee: ContiTech Luftfedersysteme GmbH
Current assignee: ContiTech Luftfedersysteme GmbH
Priority date: 2012-09-17
Filing date: 2012-09-17
Publication date: 2014-03-20
Also published as: WO2014040805A1

Abstract

Verfahren zur Steuerung eines mehrere Luftfedern aufweisenden Luftfedersystems für Fahrzeuge, bei dem für den Betriebszustand der jeweiligen Luftfeder repräsentative Parameter über Sensoren ermittelt und als Signale an ein zentrales Steuergerät geleitet werden, welches die Aktoren des Luftfedersystems bzw. der Luftfedern abhängig von den ausgewerteten Signalen steuert, wobei die Sensoren an den Luftfedern angeordnet sind und die Signale über den Sensoren zugeordnete Funksender, vorzugsweise UHF-Sender, an das einen Empfänger aufweisende Steuergerät gesendet werden

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines mehrere Luftfedern aufweisenden Luftfedersystems für Fahrzeuge, bei dem für den Betriebszustand der jeweiligen Luftfeder repräsentative Parameter über Sensoren ermittelt und als Signale an ein zentrales Steuergerät geleitet werden, welches die Aktoren des Luftfedersystems bzw. der Luftfedern abhängig von den ausgewerteten Signalen steuert. Ebenfalls ist ein Luftfedersystem beansprucht, welches zur Durchführung des Verfahrens eingerichtet ist.
In Luftfedersystemen für Fahrzeuge sind üblicherweise mehrere Luftfedern vorhanden, in der Regel an jedem Rad eine Luftfeder, die über ein zentrales Steuergerät in Bezug auf das Sollniveau der Federung des Systems geregelt/gesteuert werden. Dazu erfassen dezentrale Sensoren die Zustandsgrößen der einzelnen Luftfedern, wie etwa die Federhöhe, die Lufttemperatur und den Druck innerhalb der Luftfedern und liefern die Istwerte über ein mehradriges Kabel an das genannte zentrale Steuergerät. Zur Einstellung des Niveaus auf den Sollwert betätigt das zentrale Steuergerät die einzelnen Aktoren des Luftfedersystems bzw. der einzelnen Luftfedern, d. h. die Ventile an den Federn und in den Ventilblöcken, den Kompressor, den Trockner etc.
Nachteilig an diesem Stand der Technik ist beispielsweise der relativ hohe Aufwand für die Montage und die Verdrahtung der Sensoren mit dem zentralen Steuergerät. Von jedem einzelnen Sensor führt nämlich üblicherweise ein eigenes Kabel zu dem zentralen Steuergerät. Desweiteren ist es nachteilig, dass die Struktur der Zustandsüberwachung der Federung mit der Verdrahtung festliegt und sich nachträglich nur mit großem Aufwand ändern lässt.
Luftfedern für derartige Luftfedersysteme sind an sich bekannt. In der DE 101 305 07 A1 ist eine gattungsgemäße Luftfeder offenbart, bei der Sensorelemente elektrische Signale abgeben, wenn sie verformt werden. Die Sensorelemente sind kaskadenförmig auf dem Abrollkolben angeordnet, so dass bei zunehmender Abrolltiefe immer mehr Elemente verformt werden. Auf diese Weise lässt sich die Eintauchtiefe der Luftfeder elektrisch ermitteln. Auch hier ist eine relativ aufwendige Kabelführung erforderlich.
In der DE 10 2004 003 695 A1 ist eine gattungsgemäße Luftfeder mit piezo-elektrischen Elementen offenbart, bei der die piezo-elektrischen Elemente zur Energiegewinnung genutzt werden. Auf diese Weise lassen sich zwar elektrische Systeme in der Luftfeder ohne Energiezufuhr von außen betreiben, bezüglich der Datenübermittlung sind jedoch keine weiteren Erläuterungen vorhanden.
Die WO 2010-013019 offenbart ein Verfahren zur Beobachtung der auf ein Fahrzeug einwirkenden Kräfte, bei dem unter anderen Größen auch die Einfederung bzw. das Abrollen einer Luftfeder über Sensoren ermittelt wird. Auch hier werden zur Signalübertragung Leitungsverbindungen benötigt.
Für die Erfindung bestand daher die Aufgabe, ein Verfahren zur Steuerung eines mehrere Luftfedern aufweisenden Luftfedersystems bereitzustellen, bei dem der Montageaufwand zur Leitungsverlegung für die Sensorik möglichst verringert wird und bei dem mehrere unterschiedliche Parameter auf möglichst auf einfache Weise in „Echtzeit” erfasst und über ein zentrales Steuergerät verarbeitet werden können.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Hauptanspruchs. Weitere vorteilhafte Ausbildungen sind in den Unteransprüchen offenbart.
Dabei wird der Betriebszustand der Luftfedern (Federhöhe, Druck, Temperatur) in Echtzeit zu erfasst und über einen Sender an ein zentrales Steuergerät übertragen. Die Sensoren sind an den Luftfedern angeordnet und die Signale werden über den Sensoren zugeordnete Funksender, vorzugsweise UHF-Sender, unidirektional an das einen Empfänger aufweisende Steuergerät gesendet. Der Aufwand für die Montage und die Verdrahtung für das Übertragen der Sensorsignale entfällt völlig. Außerdem ist es möglich, das System zur Überwachung in Bezug auf Art und Anzahl der Sensoren und zu frei konfigurieren und nachträglich zu verändern.
Eine vorteilhafte Weiterbildung besteht darin, dass für jede Luftfeder eine Vielzahl von Parametern über ein Gruppe von Sensoren ermittelt und als Signale an einen Micro-Controller geleitet werden, wobei die Signale der mit einem Micro-Controller versehene Sensorengruppe (Sensorcluster) über einen der Sensorengruppe zugeordneten Funksender an das einen Empfänger aufweisende Steuergerät gesendet werden. Das erlaubt eine klare Bestimmung des jeweiligen Betriebszustandes der Einzelfedern und des Gesamtsystems.
Eine vorteilhafte Weiterbildung besteht darin, dass die Sensorengruppe (Sensorcluster) einen Ultraschall-Höhensensor für die Höhe der Luftfeder bzw. des Luftfederbalges, einem Drucksensor für den Innendruck in der Luftfeder und einen Temperatursensor für die Lufttemperatur innerhalb der Luftfeder aufweist und durch den Micro-Controller eine eindeutige Identifizierung der Signale im Hinblick auf die zugehörigen Luftfedern durchgeführt wird. Damit ist eine sichere Auswertung und Steuerung der Ventile etc. gewährleistet.
Eine weitere vorteilhafte Ausbildung besteht darin, dass die mit einem Micro-Controller versehene Sensorengruppe (Sensorcluster) über einen Datenspeicher verfügt und die Signale durch den Micro-Controller betriebsbegleitend ausgewertet, zu Kennliniendaten zusammengefasst und in Form von Lastkollektive und/oder Werten für die Schadensakkumulation als Indikatoren für die zu erwartende Restlaufzeit ermittelt werden.
Beispielsweise kann dies über Klassierungsverfahren mit Hilfe der Markov-Matrix erfolgen. Dieses Verfahren zählt zu den bekannten zweidimensionalen Beanspruchungs-Zählverfahren, die zur Erstellung von Lastkollektiven verwendet werden. Die Messwerte der Belastungsgröße (z. B. der Federkraft) werden in Werteklassen eingeteilt. Aus der zeitlichen Folge der Werteklassen ermittelt ein Algorithmus die Umkehrpunkte, an denen die Belastungsgröße von einem relativen Extremum zum nächsten wechselt.
Um die Beanspruchung zu beschreiben, wird die Anzahl der Übergänge zwischen den Extremwerten gezählt. Dabei bilden die Werte von jeweils zwei aufeinander folgenden Umkehrpunkten (z. B. von Klasse 4, nach Klasse 2) die Koordinaten des Matrix-Elements, das um 1 erhöht wird.

Beispiel 1: Die Belastungsgröße sei sinusförmig mit der Amplitude 1. In diesem Fall wechselt der Wert immer zwischen den Klassen ”+1” und ”–1”. Folglich werden nur die Elemente mit den Koordinaten (1, –1) und (–1, 1) hochgezählt, alle anderen Elemente der Matrix sind Null.
Beispiel 2: Die Belastungsgröße sei eine Zufallsgröße mit Normalverteilung. Die Elemente der Matrix, die in der Nähe des Mittelwertes liegen weisen die höchsten Zählerstände auf. Je größer der Abstand von der Mitte der Matrix, desto kleiner sind die Zählerstände.

Mit Hilfe einer im Speicher abgelegten Kennlinie und den aktuellen Messwerten für die Federhöhe, den Balgdruck und die Temperatur kann der Micro-Controller die Federkraft berechnen, die wiederum eine wichtige Eingangsgröße für übergeordnete Systeme darstellt, wie z. B. die Bremssteuerung eines Fahrzeuges. Der Vorteil liegt hier in der höheren Genauigkeit, mit der die Federkraft bestimmt werden kann, denn konventionelle Verfahren rechnen mit dem aktuellen Balgdruck und einer konstanten wirksamen Fläche der Luftfeder, obwohl diese Annahme nur für die Konstruktionslage der Feder gilt.
Eine weitere vorteilhafte Ausbildung besteht darin, dass die elektrische Versorgung der Sensoren bzw. der mit einem Micro-Controller versehene Sensorengruppe (Sensorcluster) über eine elektrische Versorgungsleitung oder über Einrichtungen erfolgt, die die Bewegungen der Luftfedern in elektrische Energie umwandeln. Luftfeder und Sensorcluster sind eine Einheit und werden einbaufertig geliefert, mit einem allfälligen Anschluss an elektrische Energie versehen und sind sofort einsatzbereit. Natürlich ist auch eine Energieversorgung der Sensorcluster über eine Batterie möglich oder eine Einkopplung von Energie über Antennen, beispielsweise induktiv.
Eine weitere vorteilhafte Ausbildung besteht darin, dass die elektrische Versorgung der Sensoren bzw. der mit einem Micro-Controller versehene Sensorengruppe (Sensorcluster) über eine elektrische Versorgungsleitung erfolgt und der elektrischen Versorgung ein Wechselspannungssignal aufgeprägt wird, mit dem Daten über ein Filter an eine LF-Schnittstelle des Micro-Controllers übermittelt werden. So können die Micro-Controller von außen bei Bedarf leicht angesteuert und ggf. in ihrer Verarbeitung, Priorisierung oder in ihren Algorithmen beeinflusst werden, bei entsprechender Ausbildung der Micro-Controller mit RAM-Kapazitäten auch verändert werden.
Bei einem in vorteilhafter Weise zur Durchführung des Verfahrens eingerichtetes und mehrere Luftfedern aufweisenden Luftfedersystem ist jeder Luftfeder eines Fahrzeuges eine mehrere Sensoren aufweisende Sensorgruppe in Form eines Sensorclusters zugeordnet, mit denen für den Betriebszustand der jeweiligen Luftfeder repräsentative Parameter ermittelt und als Signale an ein zentrales Steuergerät geleitet werden, wobei der Sensorcluster weiterhin einen die Signale verarbeitenden Micro-Controller, einen UHF-Sender und einen Datenspeicher aufweist, und wobei eine elektrische Energieversorgung für den Micro-Controller und Sensoren vorgesehen ist, insbesondere eine mit aufmodulierten Signalen versehene und über einen Filter an den Micro-Controller angeschlossene Energieversorgung. Luftfeder und Sensorcluster sind, wie oben bereits dargelegt eine Einheit und werden und können mit geringstem Aufwand eingebaut werden.
Eine weitere vorteilhafte Ausbildung besteht darin, dass weiterhin ein mobiles und mit einem UHF-Sender versehenes Handsteuergerät aufweist, welches manuell erzeugte Steuersignale zur Steuerung der Ventilblöcke oder Aktoren der jeweiligen Luftfeder an das zentrale Steuergerät sendet. Damit ist eine von außen erfolgende Grundeinstellung oder Wartungseinstellung des Luftfedersystems ohne Weiteres möglich.
Durch den Einsatz der Sensor-Cluster verringert sich der Aufwand bei der Verdrahtung, Für jeden Druck- bzw. Höhensensor entfallen mindestens zwei elektrische Leitungen und die entsprechenden Steckverbindungen. Das Netzwerk aus dem zentralen Steuergerät, dem Sensor-Cluster und dem ggf. vorhandenen mobilen Hand-Steuergerät kann sich selbst konfigurieren, indem das zentrale Steuergerät im Rahmen einer Initialisierung die Identifier/Identifizierung der teilnehmenden Sensor-Cluster abfragt und speichert.
Anhand eines Ausführungsbeispiels soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen
1 Einen Sensorgruppe für eine Luftfedern eines Luftfedersystems, ausgebildet zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
2 Ein Luftfedersystem, eingerichtet zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
Die 1 zeigt eine Sensorgruppe für eine der Luftfedern 2 eines Luftfedersystems, nämlich ein intelligentes Sensor-Cluster 14, welcher in dem Lugftfederbalg gleichzeitig die Zustandsgrößen Federhöhe, Druck und Temperatur misst. Der Sensor-Cluster 14 besteht hierzu aus einem Ultraschall-Höhensensor 6, einem Drucksensor 8, und einem Temperatursensor 9, die ihre Messdaten an einen Micro-Controller 12 ausgeben. Ein UHF-Sender 13 überträgt die Messdaten als digitalen Datenstrom über eine unidirektionale Funkverbindung 18 an das zentrale Steuergerät 10. Zusätzlich überträgt sie einen eindeutigen Identifier/eine eindeutige Identifizierung der Daten/Signale der jeweiligen Feder und ggf. weitere Statusinformationen aus dem Sensor-Cluster. Das zentrale Steuergerät 10 empfängt die digitalen Funktelegramme, identifiziert die absenden Sensor-Cluster 14 und wertet die Messdaten aus, sofern die Absender zum Funk-Netzwerk gehören. Der Sensor-Cluster 13 enthält zusätzliche einen Datenspeicher 15, in dem der Micro-Controller 12 die betriebsbegleitend berechneten Markow-Matrizen speichert sowie die Kennliniendaten der Luftfeder. Aus diesen Daten lassen sich ggf. Vorhersagen über die Restlebensdauer der Luftfeder ableiten.
2 zeigt das Gesamtsystem, nämlich ein Luftfedersystem 21, bei dem jeder Luftfeder 2 eine mehrere Sensoren aufweisende Sensorgruppe in Form eines Sensorclusters 14 zugeordnet ist, mit denen für den Betriebszustand der jeweiligen Luftfeder repräsentative Parameter ermittelt und als Signale an das zentrales Steuergerät 10 geleitet werden. Die Sensorcluster sind über eine Leitung 20 mit elektrischer Energie versorgt. Vorgesehen ist weiterhin ein mobiles und mit einem UHF-Sender versehenes Handsteuergerät 16, welches manuell erzeugte Steuersignale zur Steuerung der Ventilblöcke 4 oder Aktoren der jeweiligen Luftfeder an das zentrale Steuergerät 10 sendet.
Der elektrischen Versorgung in der Leitung 20 ist ein Wechselspannungssignal aufgeprägt wird, mit dem Daten über ein Filter 11 an eine LF-Schnittstelle des Micro-Controllers 12 übermittelt werden können.
Bezugszeichenliste

2: Luftfeder
4: Ventilblock
6: Höhensensor
8: Drucksensor
9: Temperatursensor
10: zentrales Steuergerät
11: Filter
12: Micro-Controller
13: UHF-Sender
14: Sensor/Sensor-Cluster
15: Datenspeicher
16: Hand-Steuergerät
18: unidirektionale Funkverbindung
19: bidirektionale Funkverbindung
20: elektr. Versorgung (m. aufgeprägtem Datenstrom)
21: Luftfedersystem

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 10130507 A1 [0004]
DE 102004003695 A1 [0005]
WO 2010-013019 [0006]

Claims

Verfahren zur Steuerung eines mehrere Luftfedern (2) aufweisenden Luftfedersystems für Fahrzeuge, bei dem für den Betriebszustand der jeweiligen Luftfeder (2) repräsentative Parameter über Sensoren (14) ermittelt und als Signale an ein zentrales Steuergerät (10) geleitet werden, welches die Aktoren (4) des Luftfedersystems bzw. der Luftfedern (2) abhängig von den ausgewerteten Signalen steuert, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (14) an den Luftfedern angeordnet sind und die Signale über den Sensoren zugeordnete Funksender (13), vorzugsweise UHF-Sender, an das einen Empfänger aufweisende Steuergerät (10) gesendet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem eine Vielzahl von Parametern über eine Gruppe von Sensoren ermittelt und als Signale an einen Micro-Controller geleitet werden, wobei die Signale der mit einem Micro-Controller (12) versehene Sensorengruppe (Sensorcluster) über einen der Sensorengruppe (14) zugeordneten Funksender an das einen Empfänger aufweisende Steuergerät (10) gesendet werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Sensorengruppe (14) einen Ultraschall-Höhensensor (6) für die Höhe der Luftfeder bzw. des Luftfederbalges, einem Drucksensor (8) für den Innendruck in der Luftfeder und einen Temperatursensor (9) für die Lufttemperatur innerhalb der Luftfeder (2) aufweist und durch den Micro-Controller (12) eine eindeutige Identifizierung der Signale im Hinblick auf die zugehörigen Luftfedern durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die mit einem Micro-Controller (12) versehene Sensorengruppe (14) über einen Datenspeicher (15) verfügt und die Signale durch den Micro-Controller (12) betriebsbegleitend ausgewertet, zu Kennliniendaten zusammengefasst und in Form von Lastkollektive und/oder Werten für die Schadensakkumulation als Indikatoren für die zu erwartende Restlaufzeit ermittelt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die elektrische Versorgung der Sensoren bzw. der mit einem Micro-Controller versehene Sensorengruppe (14) über eine elektrische Versorgungsleitung (20) oder über Einrichtungen erfolgt, die die Bewegungen der Luftfedern in elektrische Energie umwandeln.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die elektrische Versorgung der Sensoren bzw. der mit einem Micro-Controller versehene Sensorengruppe (14) über eine elektrische Versorgungsleitung (20) erfolgt und der elektrischen Versorgung ein Wechselspannungssignal aufgeprägt wird, mit dem Daten über ein Filter (11) an eine LF-Schnittstelle des Micro-Controllers (12) übermittelt werden.
Luftfedersystem, eingerichtet zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 6, bei dem jeder Luftfeder (2) eines mehrere Luftfedern aufweisenden Luftfedersystems (21) für Fahrzeuge eine mehrere Sensoren (6, 8, 9) aufweisende Sensorgruppe in Form eines Sensorclusters (14) zugeordnet ist, mit denen für den Betriebszustand der jeweiligen Luftfeder repräsentative Parameter ermittelt und als Signale an ein zentrales Steuergerät geleitet werden, wobei der Sensorcluster weiterhin einen die Signale verarbeitenden Micro-Controller (12), einen UHF-Sender (13) und einen Datenspeicher (15) aufweist, und wobei eine elektrische Energieversorgung (20) für den Micro-Controller und Sensoren vorgesehen ist, insbesondere eine mit aufmodulierten Signalen versehene und über einen Filter an den Micro-Controller angeschlossene Energieversorgung.
Luftfedersystem nach Anspruch 7, das weiterhin ein mobiles und mit einem UHF-Sender versehenes Handsteuergerät (16) aufweist, welches manuell erzeugte Steuersignale zur Steuerung der Ventilblöcke oder Aktoren der jeweiligen Luftfeder an das zentrale Steuergerät (10) sendet.