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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur berührungslosen Abstandsmessung innerhalb der Luftfeder eines Kraftfahrzeuges nach der Impuls/Echo-Methode, umfassend eine chassisfeste Sende-/Empfangs-Komponente und eine achsfeste Reflektorkomponente.
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Derartige Vorrichtungen sind z.B. aus der
DE 36 20 957 A1 vorbekannt. Die in der Praxis verwendeten runden Schallwandler mit ebener Abstrahlfläche erzeugen ein keulenförmiges Schallfeld. Die Halbwertsbreite der Schallintensität, die auch als Öffnungswinkel der Schallkeule angegeben wird, ist abhängig von dem Durchmesser der schallerzeugenden Fläche und der Frequenz des Ultraschalls. Beide Faktoren verkleinern den Öffnungswinkel. Bei der üblichen Auslegung des Wandlers für Nutzfahrzeug-Luftfedern beträgt der Öffnungswinkel seiner Schallkeule zwischen 10° und 15°.
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Für die Messung der Federhöhe ist es notwendig, dass die am Kolben der Luftfeder reflektierten Schallimpulse den Schallwandler mit hinreichender Intensität erreichen, um eine auswertbares elektrisches Echosignal zu erzeugen. Um dies zu gewährleisten, sollte die Reflexionsfläche möglichst senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Schallstrahles liegen.
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Die 4 zeigt eine derartige Vorrichtung gemäß dem Stand der Technik in einer Prinzipdarstellung. Ein Schallwandler 100 erzeugt eine Schallkeule 200 mit einem Öffnungswinkel 201. Im gezeigten Betriebspunkt kommt es zu einer Reflexion 300 der Schallkeule 200 an einer Prallplatte 400 eines Luftfederkolbens 500, die aufgrund der gezeigten Geometrie und der glatten Oberfläche der Prallplatte 400 keinerlei Echo auf den Schallwandler 100 zurückwirft.
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Nach dem Stand der Technik käme es im gezeigten Fall also zu einem Versagen der Abstandsmessung.
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Während des Betriebes von Luftfedern ist die Forderung nach der Orthogonalität zwischen der Richtung des Schallstrahls und der reflektierenden Ebene häufig nicht erfüllt, wenn die Anschlussplatte und der Kolben entsprechend der Federungskinematik gegeneinander geneigt sind. Auch bei einem horizontalen Versatz zwischen den beiden Enden der Luftfeder wird die Laufzeitmessung gestört, wenn sich ein zu kleiner Teil des Reflektors in dem Schallfeld befindet und deshalb zu wenig Schallenergie zu dem Schallwandler zurück strahlt.
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Die Patentschrift
DE 196 48 112 C1 schlägt einen Puffer vor, der entsprechend der Einbauposition des Schallwandlers konvex geformt ist, so dass er in allen kinematischen Situationen der Feder ein hinreichend starkes Echo zu dem Schallwandler zurück strahlt. Dieser Ansatz verursacht hohen Aufwand, weil die Form des reflektierenden Puffers an jeden Luftfedertyp angepasst werden muss.
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In der Praxis ist die Verwendung eines Anschlagpuffers als Reflektorfläche jedoch ungeeignet, da sich mit hinreichender Anzahl der Pufferanschläge dessen Geometrie bleibend verändert und sich so auch die Reflexionsbedingungen ändern und damit ein anderer Messwert ermittelt wird. Zudem ist die Verwendung einer konvex geformten Reflektorfläche aus Bauraumsicht die ungünstigste Variante, da dieser Kugelabschnitt in die Luftfeder hineinragt und so zusätzliche Blockhöhe erzeugt. Es ist im Gegenteil vielmehr sinnvoll, eine konkav geformte Reflektorfläche zu erzeugen, die die Blockhöhe der Luftfeder reduziert.
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Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, die eingangs geschilderte Vorrichtung derart zu verbessern, dass eine zuverlässige, zur Auswertung der Abstandsmessung ausreichende Reflexion der Schallwellen zum Schallwandler auch in ungünstigen Betriebspunkten gegeben ist.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Reflektorkomponente mindestens eine Reflexionsfläche aufweist, die Unebenheiten aufweist, wobei die Unebenheiten eine vorbestimmte Anordnung auf der Reflexionsfläche sowie eine vorbestimmte Form und Größe aufweisen.
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Derartige vorbestimmte Unebenheiten verursachen eine breit gestreute Reflexion von Schallwellen, die je nach Auftreffwinkel der Schallkeule in viele verschiedene Raumrichtungen zurückstrahlt und die ein mehrfaches, für die entsprechende Lage, Form und Größe der Unebenheiten typisches Echo der ausgesendeten Ultraschallwellen der Schallkeule verursachen.
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Damit ist einerseits eine hohe Sicherheit dafür gegeben, dass eine ausreichende Schallenergie der reflektierten Ultraschallwellen auf den Schallwandler zurückstrahlen, andererseits ist durch die Ausbildung eine für die Anordnung der Unebenheiten typisches Echo der Ultraschallwellen eine gute Auswertbarkeit der Signale möglich.
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In einer Weiterbildung der Erfindung weisen die Unebenheiten eine rotationssymmetrische Form auf.
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Eine rotationssymmetrische Form ermöglicht ein gut auswertbares Echo der Schallwellen. Die Rückstrahlung in die verschiedenen Raumrichtungen ist dabei besonders gleichmäßig.
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In einer Weiterbildung der Erfindung liegt der Durchmesser der Unebenheiten zwischen einem Drittel und einem Fünftel der Wellenlänge der Ultraschallwellen.
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Bei diesen Abmessungen sind die Mehrfachechos der reflektierten Ultraschallwellen besonders gut differenzierbar, sie dass eine hohe Sicherheit bei der Auswertung ermöglichen.
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In einer Weiterbildung der Erfindung sind die Unebenheiten als Einzelerhebungen oder Einzeleinsenkungen oder konzentrische Erhebungen oder Einsenkungen ausgebildet, deren Schnittfläche senkrecht zur Ebene der Refexionsfläche eine Form aufweisen, die jeweils einem Halbkugelabschnitt entspricht.
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In einer Weiterbildung der Erfindung sind die Unebenheiten als Einzelerhebungen oder Einzeleinsenkungen oder konzentrische Erhebungen oder Einsenkungen ausgebildet, deren Schnittfläche senkrecht zur Ebene der Refexionsfläche eine Form aufweisen, die jeweils einem Ellipsoid entspricht.
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In einer Weiterbildung der Erfindung sind die Unebenheiten als Einzelerhebungen oder Einzeleinsenkungen oder konzentrische Erhebungen oder Einsenkungen ausgebildet, deren Schnittfläche senkrecht zur Ebene der Refexionsfläche eine Form aufweisen, die jeweils einem Paraboloid entspricht.
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Durch die genannten Formen ist je nach Geometrie der jeweiligen Luftfedern die Rückstrahlung der Ultraschallwellen auf den Ultraschallwandler besonders gut anpassbar.
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Anhand der Zeichnung wird nachstehend ein Beispiel der Erfindung näher erläutert. Es zeigt
- 1 eine Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Reflexionsfläche,
- 2 eine Prinzipskizze der Überlagerung von ausgesendeten und reflektierten Ultraschallwellen in Verbindung mit einer erfindungsgemäßen Reflexionsfläche,
- 3 ein Beispiel eines auswertbar Ultraschallwellen-Echos bei Einsatz einer erfindungsgemäßen Reflexionsfläche und
- 4 eine Prinzipdarstellung einer gattungsgemäßen Vorrichtung nach dem Stand der Technik.
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Die in der 1 gezeigte Reflektorkomponente 1 weist eine Reflexionsfläche 2 auf. Auf der Reflexionsfläche 2 ist eine Vielzahl von Unebenheiten 3 angeordnet, die als rotationssymmetrische Einzelerhebungen 3 aus der Reflexionsfläche 2 herausragen. Die Einzelerhebungen 3 weisen einen im Wesentlichen halbkugelförmigen Querschnitt auf, der hier nicht näher gezeigt ist.
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Form, Größe und Lage der Einzelerhebungen 3 sind, auf eine hier nicht gezeigte Luftfeder angepasst, entsprechend vorbestimmt.
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In der 2 sind zwei Teildarstellungen mit jeweils einem Teillängsschnitt der Reflexionsfläche 2 mit den Einzelerhebungen 3 gezeigt. In der linken Teildarstellung ist, als Pfeil 4 symbolisiert, ein Ultraschallimpuls 4 gezeigt, dessen Ultraschallwellen 5 gegen die Einzelerhebungen 3 strahlen.
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In der rechten Teildarstellung sind die Ultraschallwellen 5 von der Reflexionsfläche 2 mit den Einzelerhebungen 3 in mehrere Reflexionen 6 aufgeteilt, wobei die Reflexionen jeweils als Pfeil 6 symbolisiert sind. Art, Intensität und Richtung der Reflexionen 6 sind von der vorbestimmten Lage, Form und Größe der Einzelerhebungen 3 und der Richtung der auftretenden Ultraschallwellen 5 abhängig.
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In der 3 ist ein Meßsignal 7 gezeigt. Das Messsignal 7 ist durch eine hier nicht gezeigte Auswerteelektronik erzeugt und zeigt die Auswertung der von einem hier nicht gezeigten Ultraschallwandler erfassten Echosignale der von der erfindungsgemäßen Reflexionsfläche 2 reflektierten Ultraschallwellen.
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Die von dem Ultraschallwandler ausgesendeten Ultraschallwellen sind hier als zeitlicher Verlauf 8 bis zum Ausschwingen in Form eines Oszillogramms gezeigt. Nach einer Laufzeit 9, hier etwa 900 µs, ist das eingetroffene Echo 10 der Ultraschallwellen gezeigt, wobei das Echo 10 gemäß der Form, Lage und Größe der Einzelerhebungen der Reflexionsfläche in drei Teilsignalen 10A, 10B, 10C erkennbar ist.
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Aus den Laufzeiten der Teilsignale und den bekannten Werten von Form, Lage und Größe der Einzelerhebungen ist im vorliegenden Beispiel ein Abstand der Reflexionsfläche vom Ultraschallwandler von 150 mm entnehmbar. Im vorliegenden Beispiel ist die Schallkeule des Ultraschallwandlers (siehe 4) im Mittel um 10° gegen die Orthogonale der Reflexionsfläche geneigt. Eine glatte Reflexionsfläche hätte für diesen Fall kein Echosignal auf den Ultraschallwandler zurückgeworfen.
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Bezugszeichenliste
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(Teil der Beschreibung)
- 1
- Reflektorkomponente
- 2
- Reflexionsfläche der Reflektorkomponente 1
- 3
- Unebenheiten der Reflexionsfläche 2
- 4
- Pfeil, Ultraschallimpuls
- 5
- Ultraschallwellen des Ultraschallimpulses 4
- 6
- Pfeil, Reflexionen der Ultraschallwellen
- 7
- Messsignal
- 8
- zeitlicher Verlauf der ausgesendeten Ultraschallwellen
- 9
- Laufzeit der Ultraschallwellen
- 10, 10A,10B,10C
- Echo der Ultraschallwellen
- 100
- Ultraschallwandler (Stand der Technik)
- 200
- Schallkeule des Ultraschallwandlers 100 (Stand der Technik)
- 201
- Öffnungswinkel der Schallkeule 200 (Stand der Technik)
- 300
- Reflexion der Schallkeule 200 (Stand der Technik)
- 400
- Prallplatte (Stand der Technik)
- 500
- Luftfederkolben (Stand der Technik)
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 3620957 A1 [0002]
- DE 19648112 C1 [0007]
