DE102015218556A1

DE102015218556A1 - Linearwegmessvorrichtung und Messverfahren für einen Einfederweg einer elektrisch leitenden Feder sowie eine korrespondierende Federeinheit

Info

Publication number: DE102015218556A1
Application number: DE102015218556.7A
Authority: DE
Inventors: Fabian Utermoehlen; Stefan Leidich
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2015-09-28
Filing date: 2015-09-28
Publication date: 2017-03-30
Also published as: JP2017067778A; US10036655B2; US20170089730A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Linearwegmessvorrichtung (1) und ein Messverfahren für einen Einfederweg einer elektrisch leitenden Feder (3) sowie eine korrespondierende Federeinheit (20) mit einer solchen Linearwegmessvorrichtung (1). Erfindungsgemäß weist die Feder (3) an ihren Enden jeweils einen elektrisch Kontakt (3.1, 3.2) auf und ist über entsprechende elektrische Leitungen (7.1, 7.2) als Messinduktivität (L) mit einer Messschaltung (5) elektrisch verbunden, welche eine durch den Einfederweg verursachte Änderung der Messinduktivität (L) erfasst und zur Ermittlung des Federwegs auswertet.

Description

Die Erfindung geht aus von einer Linearwegmessvorrichtung für einen Einfederweg einer elektrisch leitenden Feder nach der Gattung des unabhängigen Patentanspruchs 1. Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind auch eine Federeinheit mit einer solchen Linearwegmessvorrichtung und ein Messverfahren für einen Einfederweg einer elektrisch leitenden Feder.
Aus dem Stand der Technik sind zur Erfassung eines Linearweges bei einem über eine Teleskopfederung gefederten System, wie beispielsweise bei einer Motorradfedergabel, extern angebrachte Messsysteme bekannt. Diese messen den Linearweg bzw. die Eintauchtiefe der Federgabel mit Hilfe eines Potentiometers und eines Schleifkontaktes. Als nachteilig kann hier zum einen der Verschleiß des Messsystems und zum anderen die exponierte Lage außen am Tauchrohr angesehen werden, die zu einer Verschmutzung und demzufolge einer verringerten Zuverlässigkeit des Messsystems führen kann.
Aus dem Stand der Technik sind weiterhin MacPherson-Federbeine bekannt, welche beispielsweise zur Radaufhängung und Radfederung bei Kraftfahrzeugen verwendet werden. Eine Messung der Einfederung kann hier beispielsweise über verhältnismäßig teure Druckkraftsensoren erfolgen.
Aus der DE 10 2007 017 308 B4 ist eine Federeinheit mit einem Linearwegsensor bekannt, welcher die Abstandsänderungen zwischen zwei Federwindungen ermittelt. Darüber wird dann auf den gesamten Einfederweg zurückgerechnet. Der eingesetzte Linearwegsensor basiert in einer Ausführungsform auf dem „Coupled-Coils“ Prinzip, d.h. ein Target an der Feder ändert die induktive Kopplung zwischen zwei Sensorspulen. In einer zweiten Ausführungsform ist das Target resonant ausgeführt und umfasst einen Schwingkreis. Die Messung der induktiven Kopplung bleibt jedoch im Wesentlichen identisch.
Offenbarung der Erfindung
Die Linearwegmessvorrichtung für einen Einfederweg einer elektrisch leitenden Feder mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 sowie die korrespondierende Federeinheit mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 9 und das Messverfahren für einen Einfederweg mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 10 haben den Vorteil, dass die Induktivität der als elektrische Spule wirkenden Feder selbst als Messinduktivität eingesetzt wird. Ausgewertet wird dann die beim Einfedern veränderte Messinduktivität der Feder, um den Einfederweg zu bestimmen. Dies ermöglicht ohne zusätzliche Sensorik eine kostengünstige Messung des Einfederwegs der Feder.
Ausführungsformen der Erfindung messen über die Induktivitätsänderung, welche durch Stauchung bzw. Einfedern der Feder bewirkt wird, und einen externen Kondensator mit einer konstanten Kapazität direkt den Einfederweg über die Resonanzfrequenz des korrespondierenden Schwingkreises, in welchem die Feder die Messinduktivität darstellt. Das bedeutet, dass Ausführungsformen der Erfindung vorzugweise die Resonanzfrequenz des Schwingkreises ermitteln und auswerten, welcher durch die Feder selbst und einen externen Kondensator gebildet wird.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen eine Linearwegmessvorrichtung für einen Einfederweg einer elektrisch leitenden Feder zur Verfügung. Hierbei weist die Feder an ihren Enden elektrische Kontakte auf und ist über entsprechende elektrische Leitungen als Messinduktivität mit einer Messschaltung elektrisch verbunden, welche eine durch den Einfederweg verursachte Änderung der Messinduktivität erfasst und zur Ermittlung des Federwegs auswertet.
Zudem wird eine Federeinheit mit einer elektrisch leitenden Feder und einer solchen Linearwegmessvorrichtung vorgeschlagen. Das korrespondierende Messverfahren für den Einfederweg einer elektrisch leitenden Feder kontaktiert die Feder an ihren Enden elektrisch und setzt die Feder als Messinduktivität ein, wobei eine durch den Einfederweg verursachte Änderung der Messinduktivität erfasst und zur Ermittlung des Federwegs ausgewertet wird.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen und Weiterbildungen sind vorteilhafte Verbesserungen der im unabhängigen Patentanspruch 1 angegebenen Linearwegmessvorrichtung für einen Einfederweg einer elektrisch leitenden Feder möglich.
Besonders vorteilhaft ist, dass die Messschaltung eine externe Kapazität und/oder eine Auswerte- und Steuereinheit aufweisen kann. Unter der Auswerte- und Steuereinheit kann vorliegend ein elektrisches Gerät, wie beispielsweise ein Steuergerät, verstanden werden, welches erfasste Messsignale verarbeitet bzw. auswertet. Die Auswerte- und Steuereinheit kann mindestens eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen der Auswerte- und Steuereinheit beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind. Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert ist und zur Durchführung der Auswertung verwendet wird, wenn das Programm von der Auswerte- und Steuereinheit ausgeführt wird.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Linearwegmessvorrichtung kann die Auswerte- und Steuereinheit beispielsweise einen DC-DC-Wandler umfassen, welcher eine Messspannung über einer externen Kapazität messen kann, welche mit der elektrischen Energie der Messinduktivität aufgeladen werden kann, wobei die Messspannung einen aktuellen Wert der Messinduktivität repräsentieren kann. Zusätzlich oder alternativ kann die Auswerte- und Steuereinheit eine Brückenschaltung mit einer Referenzinduktivität umfassen, wobei die Messinduktivität in einen Brückenzweig eingeschleift werden kann.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Linearwegmessvorrichtung kann die Auswerte- und Steuereinheit eine Gleichspannung an die Messinduktivität anlegen und den ansteigenden Strom mittels eines Verstärkers in eine Messspannung umwandeln, welche den aktuellen Wert der Messinduktivität repräsentiert.
In einem weiteren Aspekt kann vorgesehen sein, dass die externe Kapazität mit der Messinduktivität der Feder einen Parallelschwingkreis oder einen Serienschwingkreis ausbildet. Die Auswerte- und Steuereinheit kann eine Resonanzfrequenz und/oder einen Resonanzwiderstand und/oder Resonanzleitwert des korrespondierenden Schwingkreises messen und aus dem Messwert die Messinduktivität ermitteln. Dies ermöglicht eine besonders einfache und kostengünstige Messung der Messinduktivität der Feder. Zudem kann die Auswerte- und Steuereinheit eine Phasenregelschleife umfassen und über die Phasenregelschleife eine Phasenbeziehung zwischen einem erregenden Sinussignal und einer Spannung über dem Serienschwingreis bzw. einem Strom durch den Serienschwingkreis bestimmen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. In der Zeichnung bezeichnen gleiche Bezugszeichen Komponenten bzw. Elemente, die gleiche bzw. analoge Funktionen ausführen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Federeinheit mit einer erfindungsgemäßen Linearwegmessvorrichtung für einen Einfederweg einer elektrisch leitenden Feder.
2 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Linearwegmessvorrichtung für einen Einfederweg einer elektrisch leitenden Feder für die Federeinheit aus 1.
3 zeigt eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Linearwegmessvorrichtung für einen Einfederweg einer elektrisch leitenden Feder für die Federeinheit aus 1.
Ausführungsformen der Erfindung
Wie aus 1 bis 3 ersichtlich ist, weist in den dargestellten Ausführungsbeispielen einer Linearwegmessvorrichtung 1, 1A, 1B für einen Einfederweg eine korrespondierende elektrisch leitende Feder 3 an ihren Enden elektrische Kontakte 3.1, 3.2 auf und ist über entsprechende elektrische Leitungen 7.1, 7.2 als Messinduktivität L mit einer Messschaltung 5, 5A, 5B elektrisch verbunden. Die Messschaltung 5, 5A, 5B erfasst eine durch den Einfederweg verursachte Änderung der Messinduktivität L und wertet diese zur Ermittlung des Federwegs aus. Beispielhaft ist die Feder 3 in den dargestellten Ausführungsbeispielen als Spiralfeder ausgeführt.
Die elektrisch leitende Feder 3 fungiert in den dargestellten Ausführungsbeispielen prinzipiell als Spule, deren Induktivität L gemäß Gleichung (1) berechnet werden kann. L = µ₀·(N²·A/l) (1) Hierbei bezeichnen µ₀ die magnetische Feldkonstante, N die Windungszahl, A die Querschnittsfläche und l die Länge der Feder 3 bzw. Spule. Bis auf die Länge bleiben beim Einfedern der korrespondierenden Feder 3 alle Größen nahezu identisch und durch die Stauchung bzw. Einfederung der Feder 3 steigt die Induktivität L. Bei typischen Federabmessungen, wie beispielsweise Länge im nicht eingefederten Zustand l_max = 0,2m, Windungszahl N = 7 und Durchmesser d = 0,1m ergeben sich für die Messinduktivität L Werte von einigen µH, welche bei einer Verschaltung mit einem externen Kondensator bzw. einer externen Kapazität mit einem Wert C = 500pF eine Resonanzfrequenz von einigen MHz ergeben können. Die Sensitivität, d.h. die Frequenzänderung pro Einfederung, liegt bei über 100kHz/cm und ist damit leicht detektierbar.
Wie aus 1 weiter ersichtlich ist, umfasst eine als MacPherson-Federeinheit ausgeführte Federeinheit 20 zwei Montageenden 22, 24. An den beiden Montageenden 22, 24 ist jeweils ein Teller angeordnet, zwischen welchen die als Spiralfeder ausgeführte elektrisch leitende Feder 3 eingespannt ist. Mittig zwischen den Montageenden 22, 24 ist ein längenvariabler Stoßdämpfer 30 mit einem Kolben 32 angeordnet, welcher axial verschiebbar in einem Zylinder 34 aufgenommen wird, wobei die axiale Bewegung des Kolbens 32 im Zylinder 34 durch geeignete Maßnahmen gedämpft ist. Wie oben bereits ausgeführt ist, fungiert die Feder 3 als elektrische Spule, deren aktuelle Induktivität bzw. Messinduktivität L, welche den Einfederweg repräsentiert, durch die Messschaltung 5, 5A, 5B gemessen wird. Die dargestellte Federeinheit 20 wird vorzugsweise als Federbein im Fahrwerkbereich eines Fahrzeugs eingesetzt. Es ist dort so angebracht, dass es bei Fahrwerkbewegungen gegen die Kraft der Feder 3 einfedert, so dass sich eine Linearbewegung der Montagepunkte 22, 24 gegeneinander ergibt. Diese Bewegung wird durch den Stoßdämpfer 30 gedämpft. Durch die erfindungsgemäße Linearwegmessvorrichtung 1, 1A, 1B wird der Einfederweg der korrespondierenden Feder 3 gemessen. Die korrespondierenden Informationen über den Einfederweg können zur adaptiven Anpassung der Federung des Fahrzeugs verwendet werden. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die elektrischen Leitungen 7.1, 7.2 jeweils an einem Ende der Feder 3 herausgeführt. Optional können die beiden elektrischen Leitungen 7.1, 7.2 an einem Ende der Feder 3 herausgeführt werden, wobei dazu eine der Leitungen 7.1, 7.2 von einem der elektrischen Kontakte 3.1, 3.2 durch die Mitte der Feder 3 zum anderen Federende geführt wird.
Es sind viele geeignete Verfahren für die Messung einer Induktivität bekannt. Eine besonders einfache Ausführungsform ergibt sich durch die Verschaltung der Messinduktivität L in einem Schwingkreis 5A, 5B mit einer zusätzlich einzubringenden Kapazität Cp, Cs und eine Messung der korrespondierenden Resonanzfrequenz.
Wie aus 2 und 3 weiter ersichtlich ist, weist die Messschaltung 5 in den dargestellten Ausführungsbeispielen jeweils eine externe Kapazität Cp, Cs und eine Auswerte- und Steuereinheit 10A, 10B auf. Die Feder 3 bzw. die Messinduktivität L der Feder 3 wird als frequenzbestimmendes Element in einem korrespondierenden Schwingkreis 5A, 5B eingesetzt.
Wie aus 2 weiter ersichtlich ist, bildet die externe Kapazität Cp im dargestellten ersten Ausführungsbeispiel mit der Messinduktivität L der Feder 3 einen Parallelschwingkreis 5A aus. Die Auswerte- und Steuereinheit 10A misst dann eine Resonanzfrequenz und/oder einen Resonanzwiderstand und/oder Resonanzleitwert des korrespondierenden Schwingkreises 5A und ermittelt aus dem Messwert einen aktuellen Wert der Messinduktivität L, welcher einen aktuellen Einfederweg der Feder 3 repräsentiert.
Wie aus 3 weiter ersichtlich ist, bildet die externe Kapazität Cs im dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel mit der Messinduktivität L der Feder 3 einen Serienschwingkreis 5B aus. Die Auswerte- und Steuereinheit 10B misst eine Resonanzfrequenz und/oder einen Resonanzwiderstand und/oder Resonanzleitwert des korrespondierenden Schwingkreises 5B und ermittelt aus dem Messwert einen aktuellen Wert der Messinduktivität L, welcher einen aktuellen Einfederweg der Feder 3 repräsentiert. Zudem kann die Auswerte- und Steuereinheit 10B eine Phasenregelschleife umfassen und über die Phasenregelschleife eine Phasenbeziehung zwischen einem erregenden Sinussignal und einer Spannung über dem Serienschwingreis 5B oder einem Strom durch den Serienschwingkreis 5B bestimmen.
Bei einer alternativen nicht näher dargestellten Ausführungsform kann die Auswerte- und Steuereinheit 10 einen DC-DC-Wandler aufweisen, welcher eine Messspannung über einer externen Kapazität misst, welche mit der elektrischen Energie der Messinduktivität L aufgeladen wird. Hierbei repräsentiert die Messspannung den aktuellen Wert der Messinduktivität L. Als weitere Alternative kann die Auswerte- und Steuereinheit 10 eine Brückenschaltung mit einer Referenzinduktivität umfassen, wobei die Messinduktivität in einen Brückenzweig eingeschleift ist. Des Weiteren kann die Auswerte- und Steuereinheit 10 eine Gleichspannung an die Messinduktivität L anlegen und den ansteigenden Strom mittels eines Verstärkers in eine Messspannung umwandelt, welche den aktuellen Wert der Messinduktivität L repräsentiert.
Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Messverfahrens zur Ermittlung eines Einfederwegs einer elektrisch leitenden Feder 3 kontaktieren die Feder 3 an ihren Enden 3.1, 3.2 elektrisch und setzen die Feder 3 als Messinduktivität L ein, wobei eine durch den Einfederweg verursachte Änderung der Messinduktivität L erfasst und zur Ermittlung des Federwegs ausgewertet wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007017308 B4 [0004]

Claims

Linearwegmessvorrichtung (1, 1A, 1B) für einen Einfederweg einer elektrisch leitenden Feder (3), dadurch gekennzeichnet, dass die Feder (3) an ihren Enden jeweils einen elektrisch Kontakt (3.1, 3.2) aufweist und über entsprechende elektrische Leitungen (7.1, 7.2) als Messinduktivität (L) mit einer Messschaltung (5) elektrisch verbunden ist, welche eine durch den Einfederweg verursachte Änderung der Messinduktivität (L) erfasst und zur Ermittlung des Federwegs auswertet.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messschaltung (5) eine externe Kapazität (Cp, Cs) und/oder eine Auswerte- und Steuereinheit (10, 10A, 10B) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerte- und Steuereinheit (10) einen DC-DC-Wandler umfasst, welcher eine Messspannung über einer externen Kapazität misst, welche mit der elektrischen Energie der Messinduktivität (L) aufgeladen ist, wobei die Messspannung einen aktuellen Wert der Messinduktivität (L) repräsentiert.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerte- und Steuereinheit (10) eine Brückenschaltung mit einer Referenzinduktivität umfasst, wobei die Messinduktivität (L) in einen Brückenzweig eingeschleift ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerte- und Steuereinheit (10) eine Gleichspannung an die Messinduktivität (L) anlegt und den ansteigenden Strom mittels eines Verstärkers in eine Messspannung umwandelt, welche den aktuellen Wert der Messinduktivität (L) repräsentiert.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die externe Kapazität (Cp, Cs) mit der Messinduktivität (L) der Feder (3) einen Parallelschwingkreis (5A) oder einen Serienschwingkreis (5B) ausbildet.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerte- und Steuereinheit (10A, 10B) eine Resonanzfrequenz und/oder einen Resonanzwiderstand und/oder Resonanzleitwert des korrespondierenden Schwingkreises (5A, 5B) misst und aus dem Messwert die Messinduktivität (L) ermittelt.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerte- und Steuereinheit (10B) eine Phasenregelschleife umfasst und über die Phasenregelschleife eine Phasenbeziehung zwischen einem erregenden Sinussignal und einer Spannung über dem Serienschwingreis (5B) oder einem Strom durch den Serienschwingkreis (5B) bestimmt.
Federeinheit (20) mit einer elektrisch leitenden Feder (3) und einer Linearwegmessvorrichtung (1, 1A, 1B), dadurch gekennzeichnet, dass die Linearmessvorrichtung (1, 1A, 1B) zumindest nach einem der Ansprüche 1 bis 8 ausgeführt ist.
Messverfahren für einen Einfederweg einer elektrisch leitenden Feder (3), dadurch gekennzeichnet, dass die Feder (3) an ihren Enden elektrisch kontaktiert und als Messinduktivität (L) eingesetzt wird, wobei eine durch den Einfederweg verursachte Änderung der Messinduktivität (L) erfasst und zur Ermittlung des Federwegs ausgewertet wird.