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Die Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung zum Erfassen einer Linearbewegung eines Gegenstands, insbesondere eines Kolbens von einem Feder-Dämpfer-System einer Radaufhängung, mit wenigstens einem Sensor, der dazu ausgebildet ist, eine Bewegung oder Lage eines dem Gegenstand zugeordneten Messwertgebers zu erfassen.
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Weiterhin betrifft die Erfindung eine Radaufhängung für ein Kraftfahrzeug mit wenigstens einem einen beweglichen Kolben aufweisenden Feder-Dämpfer-System, wobei dem Kolben die oben beschriebene Sensorvorrichtung zugeordnet ist.
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Außerdem betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einer derartigen Radaufhängung.
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Stand der Technik
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Zum Erfassen von Linearbewegungen sind bereits verschiedene Arten von Sensorvorrichtungen bekannt, die meistens berührungslos oder berührungsfrei eine Position oder Positionsänderung eines Messwertgebers erfassen. Dazu verwenden die meisten Sensorvorrichtungen ein magnetisches oder optisches Messprinzip. Dabei wird über den zurückgelegten Weg eine sich räumlich veränderbar Größe erfasst und ausgewertet. Bei optischen Sensoren wird beispielsweise die Laufzeit des Lichts gemessen und bei konstanter Ausbreitungsgeschwindigkeit auf den Weg beziehungsweise Entfernung geschlossen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass die Sensorvorrichtung eine einfache Eigendiagnose erlaubt, sodass auf einfache Art und Weise die Funktionalität der Sensorvorrichtung bestätigt beziehungsweise geprüft werden kann. Dadurch wird die Systemsicherheit insgesamt erhöht. Erfindungsgemäß ist dazu vorgesehen, dass der Messwertgeber drehbar gelagert und mit einer Seilrolle drehfest verbunden ist, wobei ein Seil einendig auf der Seilrolle zumindest teilweise aufgerollt und anderendig an dem Gegenstand befestigt ist. Der Messwertgeber bewegt sich somit nicht direkt mit dem Gegenstand linear mit, sondern ist vielmehr drehbar gelagert und über ein Seil mit dem Gegenstand verbunden. Weil das Seil allein nur auf Zug belastet werden kann, ist dadurch eine einfache Diagnose dahingehend möglich, ob das Seil gerissen ist oder Bestand hat. Die Sensorvorrichtung arbeitet somit zwar insgesamt nicht berührungslos, bietet jedoch die Möglichkeit einer hochauflösenden und aufgrund der mechanischen Verbindung sehr genauen Messung. Die Bewegung des Seils wird direkt auf den Messwertgeber durch die Seilrolle übertragen und erlaubt somit eine präzise Entfernungsbestimmung, die auch als Absolutwert feststellbar ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Sensorvorrichtung wenigstens ein Federelement aufweist, das die Seilrolle mit einer Kraft zum Aufrollen des Seils beaufschlagt. Damit ist sichergestellt, dass das Seil aufgerollt wird, wenn sich der Kolben entsprechend in Richtung der Seilrolle bewegt. Somit wird die Bewegung des Gegenstands in jedem Fall sicher auf die Seilrolle und damit auf den Messwertgeber übertragen.
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Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass das Federelement derart ausgebildet und/oder dimensioniert ist, dass auf das Seil stets eine Zugkraft wirkt, sodass das Seil stets gespannt ist. Reißt das Seil, so würde dies zu einer plötzlichen Bewegung des Messwertgebers führen, weil die auf das Federelement wirkende Gegenkraft des Seils entfällt. Reißt oder bricht die Feder, so würde gegebenenfalls die Zugkraft des Seils dazu führen, dass der Messwertgeber in die andere Richtung bewegt wird. Beide Fälle können von der Sensorvorrichtung erfasst und beispielsweise durch Auswertung der Bewegungsgeschwindigkeit erkannt werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Sensorvorrichtung zwei insbesondere berührungsfrei arbeitende Sensoren aufweist, die jeweils einem drehbar gelagerten Messwertgeber zugeordnet sind, wobei die Messwertgeber als Zahnräder ausgebildet sind, die mit einem drehfest mit der Seilrolle verbundenen Antriebszahnrad in Eingriff stehen. Die Sensorvorrichtung weist somit nicht einen, sondern zwei Messwertgeber auf. Beide Messwertgeber sind als Zahnräder ausgebildet, die jeweils mit der Seilrolle in Eingriff stehen, indem sie mit dem Antriebszahnrad kämmen. Wird die Seilrolle bewegt, werden beide Messwertgeber mitverdreht und jeweils ein Bewegungswert erfasst. Dadurch wird die Sicherheit der Messung erhöht.
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Weiter ist bevorzugt vorgesehen, dass die Sensoren und Messwertgeber nach dem Nonius-Prinzip ausgebildet und miteinander verschaltet sind. Dadurch wird eine besonders hochauflösende Auswertung der Bewegung des Gegenstands durch die Messwertgeber erreicht.
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Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass dem Gegenstand, der Seilrolle und/oder dem Seil zumindest ein Beschleunigungssensor zugeordnet ist. Mittels des Beschleunigungssensors wird insbesondere eine kritische oder überraschende Beschleunigung erfassbar, die beispielsweise auf den Riss des Seils oder der Feder hindeutet. In Zusammenwirkung mit dem Bewegungs-Sensoren, die dem Messwertgeber oder Messwertgebern zugeordnet ist/sind, kann damit insbesondere geprüft werden, ob der erfasste Bewegungsweg mit der erfassten Beschleunigung korreliert.
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Weiterhin weist die Sensorvorrichtung ein Steuergerät auf, das mit dem oder den Sensoren und gegebenenfalls mit dem Beschleunigungssensor signaltechnisch verbunden ist, um die Ausgangssignale der Sensoren und gegebenenfalls des Beschleunigungssensors wie oben beschrieben auszuwerten.
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Die erfindungsgemäße Radaufhängung zeichnet sich durch die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung aus. Es ergeben sich hierdurch die bereits genannten Vorteile.
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Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug zeichnet sich durch die erfindungsgemäße Radaufhängung aus. Es ergeben sich auch hierdurch die bereits genannten Vorteile.
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Weitere Vorteile und bevorzugte Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich insbesondere aus dem zuvor Beschriebenen sowie aus den Ansprüchen. Im Folgenden soll die Erfindung anhand der Zeichnung näher erörtert werden. Dazu zeigen:
- 1 eine vorteilhafte Sensorvorrichtung in einer vereinfachten Darstellung und
- 2 die Sensorvorrichtung in einem Feder-Dämpfer-System einer Radaufhängung.
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1 zeigt in einer vereinfachten Darstellung eine Sensorvorrichtung 1, die zum Erfassen einer Linearbewegung eines Gegenstands ausgebildet ist. Dazu weist die Messsensorvorrichtung 1 zwei Sensoren 2, 3 auf, die jeweils einem Zahnrad 4, 5 zugeordnet sind, um dessen Drehwinkelstellung zu erfassen. Hierzu können bekannte Drehwinkelsensoren als Sensoren 2, 3 eingesetzt werden.
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Die beiden Zahnräder 4, 5 kämmen mit einem gemeinsamen Antriebszahnrad 6, das drehfest mit einer Seilrolle 7 verbunden ist. Dazu ist das Zahnrad 6 fest auf der Welle der Seilrolle 7, die ansonsten drehbar in einem hier nicht dargestellten Gehäuse der Sensorvorrichtung 1 gelagert ist, angeordnet.
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Auf der Seilrolle 7 ist ein Seil 8 zumindest abschnittsweise aufgerollt. Ein freies Ende 9 des Seils 8 ist dazu ausgebildet, an einem Gegenstand befestigt zu werden, dessen Linearbewegung erfasst werden soll.
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Der Seilrolle 7 ist weiterhin ein Federelement 10 zugeordnet, das als Spiralfeder ausgebildet ist und die Seilrolle 7 mit einer Federkraft derart beaufschlagt, dass sie das Seil 8 aufrollt, sofern das freie Ende 9 nicht an dem Gegenstand befestigt ist. Ist das Ende 9 jedoch am Gegenstand befestigt, sorgt das Federelement 10 dafür, dass das Seil 8 stets auf Zug gespannt ist.
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Weiterhin ist ein Steuergerät 11 vorhanden, das mit den Sensoren 2 und 3 signaltechnisch verbunden ist, um deren Ausgangssignale zu erfassen und auszuwerten. Dabei sind die Sensoren 2, 3 des Steuergeräts 11 derart miteinander verschaltet und die Zahnräder 4, 5 derart ausgebildet, dass nach dem Nonius-Prinzip der Drehwinkel der Seilrolle 7 beziehungsweise des Antriebszahnrads 6 bestimmt wird.
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Bewegt sich der am freien Ende 9 befestigte Gegenstand in Richtung der Sensorvorrichtung 1, verkürzt sich somit der Abstand und das Seil 8 wird durch das Federelement 10 auf der Seilrolle 7 aufgerollt. Dabei werden die beiden Zahnräder 4, 5, die insofern Messwertgeber 12, 13 der Sensorvorrichtung 1 bilden, mitgedreht. Durch das Nonius-Prinzip werden dabei unterschiedliche Skalen genutzt, die durch die Messwertgeber 12, 13 vorgegeben werden, und eine hochauflösende Erfassung der Bewegung der Seilrolle 7 gewährleistet. Wird auf das freie Ende 9 eine Zugkraft ausgeübt, die größer ist als die Kraft des Federelements 10, so wird das Seil entsprechend abgerollt und eine entsprechend hochaufgelöste Bewegung der Seilrolle 7 in entgegengesetzte Richtung durch die Sensorvorrichtung 1 erfasst.
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2 zeigt einen Anwendungsfall der Sensorvorrichtung 1 am Beispiel einer Radaufhängung 15 eines Kraftfahrzeugs. Die Radaufhängung 15 weist ein Feder-Dämpfersystem auf, von dem vorliegend nur der Dämpfer 16 mit einem Dämpfergehäuse 17 und einen in dem Dämpfergehäuse 17 verschiebbar gelagerten Dämpferkolben 18 gezeigt ist. An seinem freien Ende ist der Dämpferkolben 18 beispielsweise mit einem Radlager zur Aufnahme eines Rads des Kraftfahrzeugs verbunden. An seinem in dem Dämpfergehäuse 17 befindlichen Ende ist der Dämpferkolben 18 mit dem freien Ende 9 des Seils 8 verbunden. Mittels der Dämpfervorrichtung 1 ist nun sicher die Bewegung des Kolbens 18 mit einer hohen Genauigkeit erfassbar. Vorteilhafterweise ist das Seil 8 aus Stahl gefertigt, um eine hohe Zugbelastung standhalten zu können. Das Seil kann dabei eine kreisförmige Querschnittsform oder auch eine bandförmige, also flache Querschnittsform aufweisen.
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Vorteilhafterweise ist der Sensorvorrichtung 1 außerdem ein Beschleunigungssensor 19 zugeordnet, der beispielsweise an einer die Sensoren 2, 3 und insbesondere das Steuergerät 11 tragenden Leiterplatte 20 angeordnet ist. Der Beschleunigungssensor 19 ist ebenfalls mit dem Steuergerät 11 verbunden, sodass dieses auch das Ausgangssignal des Beschleunigungssensors 19 empfängt und auswerten kann.
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Insoweit ist vorgesehen, dass das Steuergerät dazu ausgebildet ist, die durch die Sensoren 2, 3 erfasste Bewegung der Seilrolle 7 mit der erfassten Beschleunigung 19 zu vergleichen und auf Plausibilität zu prüfen.
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Es wird somit über das Abrollen oder Aufrollen des Seils 8 eine Entfernung beziehungsweise Entfernungsänderung gemessen. Das Seil 8 kann dabei auf die Rolle mehrfach gewickelt werden und die absolute Lage der Seilrolle 7 wird durch die Sensoren 2, 3 bestimmt. Die Sensorvorrichtung 1 arbeitet zwar nicht durchgehend berührungslos, auch die Sensoren 2, 3 können als berührende Sensoren ausgebildet sein, aber die Sensorvorrichtung 1 erlaubt eine Selbstdiagnose. Dazu wird das Steuergerät 11 insbesondere die Sensorvorrichtung darauf überwacht, ob ein Riss oder Bruch in der Feder vorliegt oder ein Riss im Seil.
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Die Sensorvorrichtung 1 kennt zwei Endstellungen. Eine liegt dann vor, wenn das Seil 8 maximal weit abgerollt ist und die Feder 10 maximal gespannt ist. Die andere Endstellung liegt dann vor, wenn das Seil 8 eine Minimalseilabrolllänge aufweist und die Federspannung minimal ist. Die minimale Federspannung des Federelements 10 sorgt dafür, dass bei einem Riss im Seil 8 die Entspannung zu einer Bewegung der Seilrolle 7 in eine Fehlerposition erfassbar ist. Im Fehlerfall läuft die Seilrolle 7 beispielsweise über den erwarteten Drehwinkelbereich hinaus, der durch die bekannte maximale Abrolllänge des Seils 8 bestimmt wird. Dadurch ist der Fehler einfach durch das Auswerten der Sensorsignale der Sensoren 2 und 3 erfassbar. Ein Brechen des Federelements 10 sorgt hingegen dafür, dass die Abwicklung des Seils 8 nicht mehr mit der Bewegung der Seilrolle 7 korreliert. Um dies zu erkennen, ist der Beschleunigungssensor 19 vorgesehen, der insbesondere in Bewegungsrichtung der Linearbewegung ausgerichtet ist. Das freie Ende 9 des Seils 8 führt eine eindimensionale Bewegung aus, wobei in der Bewegungsrichtung auch der Beschleunigungssensor ausgerichtet ist und die Bewegung qualitativ erfassen kann. Da er in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel auf der gedämpften Seite des Federdämpfer-Systems angeordnet ist, kann durch den Beschleunigungssensor 19 auch nur die gedämpfte Bewegung erfasst werden. Dies ist aber zur Prüfung der Korrelation zwischen Beschleunigung und Aufwicklung des Seils 8 ausreichend und kann somit zur Funktionsüberwachung mitverwendet werden. Da für die Auswertung der Aufwickelbewegung insbesondere ein Mikrocontroller in dem Steuergerät 11 genutzt wird, ist es möglich, die Korrelation zwischen Aufwickelbewegung und Beschleunigung zu bestimmen und bei Abweichungen, die als unplausibel festgestellt werden, einen Fehler zu melden.
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Bevorzugt weist das Seil 8 außerdem eine elektrische Isolierung 21 zu dem Dämpferkolben 18 beziehungsweise einem Gegenstand dessen Linearbewegung erfasst werden soll, auf. Über eine Widerstandsmessung kann dann eine Funktionskontrolle stattfinden, indem der elektrische Widerstand des Seils 8 beispielsweise über das Seil 8 und das Federelement bis zum Federende gemessen wird. Reißt das Seil 8 oder bricht das Federelement 10, so wird dies zu einem signifikanten Anstieg des elektrischen Widerstands führen, der von dem Steuergerät 11 ohne weiteres erfassbar ist. Auch in diesem Fall kann einfach eine Fehlermeldung generiert und angezeigt oder weitergeleitet werden.
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Die Verschleißbauteile der Sensorvorrichtung 1 können einfach ersetzt und ausgetauscht werden. Durch eine einfache Kalibrierfunktion der Sensorvorrichtung 1, durch ein Messen des maximalen und minimalen Seilauszugs 8 ist die Sensorvorrichtung auch schnell wieder einsatzbereit.
