DE102019206206A1

DE102019206206A1 - Luftfeder mit kapazitivem Sensor

Info

Publication number: DE102019206206A1
Application number: DE102019206206.7A
Authority: DE
Inventors: Tobias Huber; Andreas Kind
Original assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Current assignee: Continental Automotive Technologies GmbH
Priority date: 2019-04-30
Filing date: 2019-04-30
Publication date: 2020-11-05

Abstract

Es wird eine Luftfeder mit einem Luftfederkolben, einem Rollbalg und einer Außenführung für den Rollbalg beschrieben. Die Luftfeder weist mindestens einen an der Außenseite des Luftfederkolbens und/oder der Innenseite der Außenführung angeordneten kapazitiven Sensor auf, der den letzten aktiv an der Außenseite des Luftfederkolbens und/oder der Innenseite der Außenführung anliegenden Rollbalgpunkt erfasst. Auf diese Weise wird eine Höhenmessung durchgeführt, wobei die entsprechenden Signale einer Steuereinrichtung zur Auswertung und Niveauregelung des zugehörigen Luftfedersystems zugeführt werden können.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Luftfeder mit einem Luftfederkolben, einem an dessen Außenseite anliegenden Rollbalg und einer Außenführung für den Rollbalg, an deren Innenseite der Rollbalg anliegt.
Luftfedersysteme benötigen als essentielle Eingangsgröße zur Niveauregelung entsprechende Höhensignale (Höhendifferenz Abstand Fahrzeugaufbau zu Rad). Um diese Höhenregelung in Fahrzeugsegmenten, wie PKW und LKW darstellen zu können, ist eine Messsensorik mit einer hohen Genauigkeit und Abtastfrequenz notwendig.
Hierfür werden in der Regel separate Drehwinkelsensoren eingesetzt, die nach dem Hall-Prinzip arbeiten. Die geometrische Sensorintegration erfolgt hierbei nur separat von der Luftfeder mit einer spezifischen Halteranbindung über eine Koppelstange, um die Relativbewegung zwischen Achse und Fahrzeugaufbau in eine Drehbewegung umzuwandeln. Diese Lösung hat jedoch den Nachteil, dass ein zusätzlicher Sensor in das Fahrzeug eingebaut werden muss, um genaue Höhendaten zu erhalten. Dies erzeugt zusätzliche Systemkosten.
Es ist aber bereits ebenfalls bekannt, Luftfedersysteme selbst mit entsprechenden Sensoren auszurüsten. So beschreibt beispielsweise die DE 101 30 507 A1 eine Luftfeder mit einem Abrollkolben und einem Rollbalg und mindestens einem Sensorelement, das in einem Abrollbereich angeordnet ist und ein elektrisches Signal abgibt, wenn es verformt wird. Beispielsweise ist hierbei das Sensorelement als Dehnungsmessstreifen oder als piezoelektrisches Sensorelement ausgebildet. Es ist am Abrollkolben fixiert oder am Rollbalg befestigt oder in den Rollbalg integriert.
Aus der DE 697 01 025 D2 ist ein Luftfederungssystem mit integriertem Höhensensor bekannt. Der Höhensensor kann in einem Kolben der entsprechenden Luftfeder eingebettet sein und ein nach verschiedenen Messprinzipien messendes Sensorelement umfassen, beispielsweise einen Magnetsensor, optischen Sensor.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Luftfeder der eingangs genannten Art vorzusehen, die eine Höhenmessung mit besonders einfachen Mitteln ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Luftfeder mit einem Luftfederkolben, einem an dessen Außenseite anliegenden Rollbalg, einer Außenführung für den Rollbalg, an deren Innenseite der Rollbalg anliegt, und mindestens einem an der Außenseite des Luftfederkolbens und/oder der Innenseite der Außenführung angeordneten kapazitiven Sensor, der den letzten aktiv an der Außenseite des Luftfederkolbens und/oder der Innenseite der Außenführung anliegenden Rollbalgpunkt erfasst.
Die erfindungsgemäße Lösung basiert auf dem Konzept, den Relativweg (Höhendifferenz Abstand Fahrzeugaufbau zu Rad bzw. Achse) direkt an der Luftfeder zwischen achs- und aufbaufesten Luftfederbauteilen, nämlich dem Luftfederkolben und der Außenführung, zu erfassen. Hierfür findet mindestens ein kapazitiver Sensor Verwendung, der den letzten aktiv anliegenden Luftfederbalgpunkt am Luftfederkolben und/oder an der Außenführung durch Kapazitivmessung erfasst. Hierbei wird die Kapazität des Luftfederbalges detektiert.
Vorzugsweise ist der kapazitive Sensor als dünne flexible Lage ausgebildet, die auf der Außenseite des Luftfederkolbens oder der Innenseite der Außenführung angeordnet oder in diese integriert ist. Dabei werden Lösungen bevorzugt, bei denen der kapazitive Sensor auf die Außenseite des Luftfederkolbens oder die Innenseite der Außenführung gedruckt oder geklebt ist. Bei einer anderen Ausführungsform ist der kapazitive Sensor in den Luftfederkolben oder in die Außenführung geklipst.
Um die jeweiligen kapazitiven Sensoreigenschaften auch von der Luftfederbalgseite (Gummimaterial) zu optimieren, weist der Rollbalg vorzugsweise elektrisch leitfähiges Material auf. Hierbei kann es sich beispielsweise um leitfähige Partikel handeln, beispielsweise Karbon-Nanopartikel oder auch magnetisierte Ferritpartikel. Diese Partikel können während des Extrudierprozesses in das Balgmaterial eingearbeitet werden.
Besonders bevorzugt wird eine Ausführungsform der Erfindung, bei der sich der kapazitive Sensor an der Innenseite der Außenführung für den Rollbalg befindet. Hierbei kann es sich beispielsweise um einen oder mehrere Streifen handeln, auf die das spezielle Elektrodenmuster für die kapazitive Messung aufgedruckt ist. Aus der Anzahl der Elektrodenabschnitte, die bei einer Abrollbewegung des Rollbalges auf der Innenseite der Außenführung abgedeckt werden, ergibt sich ein Höhensignal, das über Anschlusseinrichtungen des Sensors einer Steuereinrichtung zugeführt wird, die hieraus beispielsweise die gewünschte Höhendifferenz (Abstand Fahrzeugaufbau zu Rad bzw. Achse) errechnet und diesen Wert beispielsweise für die Niveauregelung des Luftfedersystems verwendet.
In entsprechender Weise kann der kapazitive Sensor auch an der Außenseite des Luftfederkolbens angeordnet sein und dort nach dem gleichen Prinzip funktionieren. Auch können Sensoren sowohl an der Außenseite des Luftfederkolbens als auch an der Innenseite der Außenführung vorgesehen sein und hierbei jeweils den letzten aktiv anliegenden Rollbalgpunkt erfassen. In diesem Fall werden dann beide Signale der Steuereinrichtung zugeführt.
Vorzugsweise besitzt der erfindungsgemäß vorgesehene kapazitive Sensor drei Messbereiche, nämlich einen immer vom Rollbalg überdeckten Bereich, einen eigentlichen Messbereich für die Rollbalgbewegung und einen immer freiliegenden Bereich. Dieser Sensor basiert auf drei kapazitiven Einzelerfassungen zur systematischen Eliminierung von Störgrößen (Umwelteinflüssen sowie Materialeigenschaften). Dabei dient der immer vom Rollbalg überdeckte Bereich mit der Kapazität 1 zur Erfassung von Materialeigenschaften. Der zweite Bereich (Kapazität 0) ist der eigentliche Messbereich für die Rollbalg- bzw. Rollfaltenbewegung, und der immer freiliegende Bereich (Kapazität 2) dient zur Erfassung von Umwelteinflüssen. Durch die Berücksichtigung der beiden Kapazitäten 1 und 2 kann dann in der Signalverarbeitung im Steuergerät eine entsprechende Kompensation der Umwelt- und Materialeinflüsse erfolgen.
Erfindungsgemäß findet somit eine platzsparende Sensorintegration direkt in das Luftfedersystem von Fahrzeugen oder anderen Einrichtungen Anwendung. Es wird eine bekannte Sensortechnologie, nämlich eine Kapazitivmessung, benutzt, so dass eine präzise Messung von Höhenregulierung bzw. Relativbewegungen möglich ist. Der Sensor kann so produziert werden, dass er direkt an der Krümmkante der Luftfeder anliegt.
Es ist eine Realdatenabfassung an einer oder mehreren Stellen im System möglich. Eine Signalführung/Kabelführung findet im nicht beweglichen Bereich statt, so dass keine beweglichen Kabel vorhanden sind, welche über die Laufzeit durch Biegung brechen können. Ferner ist eine Kombination mit weiteren Bewegungssensoren im oder am Luftbalg möglich, um diese dann in einer gemeinsamen Auswerteinheit auszuwerten bzw. Informationen zu fusionieren. Eine solche Fusion bzw. Kombination kann in Verbindung mit einem dielektrischen Elastomer stattfinden, welches Dehnung oder Druck am Luftbalg messen kann.
Schließlich zeichnet sich die erfindungsgemäße Lösung durch besondere Kostengünstigkeit aus, da ein zusätzliches System außerhalb einer Luftfeder nicht benötigt wird.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles in Verbindung mit der Zeichnung im Einzelnen erläutert. Es zeigen:

1 einen schematischen Vertikalschnitt durch einen Teil einer Luftfeder;
2 eine schematische Draufsicht auf eine Ausführungsform eines kapazitiven Sensors ohne Anschlüsse;
3 einen schematischen Vertikalschnitt wie 1 mit Darstellung von Messbereichen; und
4 eine schematische Darstellung der drei Kapazitäten eines Sensors.

1 zeigt einen schematischen Vertikalschnitt eines Teiles einer Ausführungsform einer Luftfeder. Auf der Außenseite eines Luftfederkolbens 1 rollt ein am Luftfederkolben 1 befestigter Rollbalg 2 ab, der ein entsprechendes Gasvolumen umgrenzt. Der Rollbalg 2 liegt radial außen an der Innenseite einer Außenführung 3 an. Mit 5 ist die Abrollhöhe des Rollbalges 2 bezeichnet. Je nach Belastungszustand kann daher der Rollbalg 2 von der dargestellten Obergrenze bis zur dargestellten Untergrenze der Rollhöhe 5 an der Innenseite der Außenführung 3 anliegen.
Auf die Innenseite der Außenführung 3 sind in Umfangsrichtung mehrere streifenförmige flexible kapazitive Sensoren 6 als Messstreifen geklebt, wie in 1 durch die bei 4 angedeutete Messstelle gezeigt. Dieser Messstreifen kann beispielsweise das in 2 dargestellte Elektrodenmuster besitzen. Je nachdem, inwieweit der Rollbalg 2 an der Innenseite der Außenführung 3 anliegt, bedeckt er entsprechende Elektrodenabschnitte des Sensors 6 und umfasst dabei den letzten aktiv an der Innenseite der Außenführung 3 anliegenden Rollbalgpunkt.
Das Material des Rollbalges 2 enthält elektrisch leitende Partikel, um die hier durchgeführte kapazitive Berührungsmessung zu unterstützen. Entsprechende Messsignale, die die Höhenlage des letzten anliegenden Rollbalgpunktes wiedergeben, werden vom kapazitiven Sensor 6 einer Steuereinrichtung zugeführt, die die Signale auswertet, entsprechende Höhensignale (Abstand Rad - Fahrzeugaufbau) errechnet und eine Niveauregelung des zugehörigen Luftfedersystems auf Basis dieser Signale durchführt.
3 zeigt einen schematischen Vertikalschnitt wie 1 mit der Darstellung von drei Messbereichen einer Ausführungsform eines kapazitiven Sensors 6. Der dargestellte Bereich C1 (Kapazität 1) ist dabei immer vom Rollbalg 2 überdeckt und dient zur Erfassung der Materialeigenschaften, während der Bereich C0 (Kapazität 0) den eigentlichen Messbereich für die Rollbalg- bzw. Rollfaltenbewegung (auf und ab) darstellt. Der Bereich C2 (Kapazität 2) ist immer freiliegend und dient zur Erfassung von Umwelteinflüssen. Somit weist der hier beschriebene kapazitive Sensor drei Messbereiche mit drei kapazitiven Einzelerfassungen zur systematischen Eliminierung von Störgrößen auf. Da C1 und C2 erfasst werden, kann durch die Signalverarbeitung im Steuergerät eine entsprechende Kompensation dieser Störgrößen erfolgen.
Eine beispielhafte Darstellung dieser drei Kapazitäten eines Sensors ist in 4 gezeigt. C0 entspricht hierbei dem eigentlichen Niveausensor, C1 einer Referenz (immer in Kontakt mit dem Rollbalg) und C2 einer Referenz (nie in Kontakt mit dem Rollbalg).
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10130507 A1 [0004]
DE 69701025 D2 [0005]

Claims

Luftfeder mit einem Luftfederkolben (1), einem an dessen Außenseite anliegenden Rollbalg (2), einer Außenführung (3) für den Rollbalg (2), an deren Innenseite der Rollbalg (2) anliegt, und mindestens einem an der Außenseite des Luftfederkolbens (1) und/oder der Innenseite der Außenführung (3) angeordneten kapazitiven Sensor (6), der den letzten aktiv an der Außenseite des Luftfederkolbens (1) und/oder der Innenseite der Außenführung (3) anliegenden Rollbalgpunkt erfasst.
Luftfeder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der kapazitive Sensor (6) als dünne flexible Lage ausgebildet ist, die auf der Außenseite des Luftfederkolbens (1) oder der Innenseite der Außenführung (3) angeordnet oder in diese integriert ist.
Luftfeder nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der kapazitive Sensor (6) auf die Außenseite des Luftfederkolbens (1) oder die Innenseite der Außenführung (3) gedruckt oder geklebt ist.
Luftfeder nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der kapazitive Sensor (6) in den Luftfederkolben (1) oder die Außenführung (3) geklipst ist.
Luftfeder nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rollbalg (2) elektrisch leitfähiges Material enthält.
Luftfeder nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der kapazitive Sensor (6) Höhensignale an eine Steuereinrichtung gibt, die diese auswertet und zur Niveauregelung des zugehörigen Luftfedersystems verwendet.
Luftfeder nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der kapazitive Sensor drei Messbereiche umfasst, nämlich einen immer vom Rollbalg überdeckten Bereich (C1), einen eigentlichen Messbereich (C0) für die Rollbalgbewegung und einen immer freiliegenden Bereich (C2).