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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Luftfeder gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Zur Dämpfung von Schwingungen können je nach Anwendung verschiedene Arten von Federungssystemen eingesetzt werden. Hierzu gehören auch die Luftfederungen, welche die Kompressibilität von Gasen und insbesondere von Luft ausnutzen.
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Eine weit verbreitete Bauart einer Luftfederung sind Luftfedern mit konstantem Volumen in Regellage. In diesem Fall wird die Luft üblicherweise in einem Rollbalg, kurz Balg, eingeschlossen, welcher mit weiteren Beschlagteilen wie bei Straßenfahrzeugen mit einem Deckel oder einer Bördelplatte und einem Abrollkolben luftdicht verbunden ist. Dabei ist der Kolben sowohl mit dem unteren Ende des Rollbalgs als auch üblicherweise mit einer Achse bei Straßenfahrzeugen bzw. mit einem Fahrgestell bei Schienenfahrzeugen verbunden. Das obere Ende des Rollbalgs ist mit einem Deckel oder einer Bördelplatte verbunden, welche mit der Karosserie bzw. mit dem Chassis des Fahrzeugs verbunden ist. Bei Schienenfahrzeugen wird der Balg zwischen einer Gleitplatte oben und dem Kolben unten angeordnet.
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Der Rollbalg ist über den Kolben gestülpt und rollt unter Druck auf diesem ab. Alternativ kann auch ein Faltenbalg verwendet werden, dessen Bewegung aus der Stauchung der Falten resultiert. Die Luftfeder kann durch einen Kompressor mit Druckluft versorgt werden, so dass in Abhängigkeit von der Beladung Luft zu- oder abgepumpt werden kann, um das Füllvolumen und somit die Niveaulage des Fahrzeugs konstant zu halten. Derartige Luftfedern werden bei verschiedenen Arten von Fahrzeugen wie insbesondere bei Straßenfahrzeugen wie insbesondere Personenkraftwagen (Pkw), Lastkraftwagen (Lkw), Anhänger und Omnibussen sowie insbesondere bei Schienenfahrzeugen eingesetzt.
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Mit anderen Worten erzeugen die an Nutzfahrzeugachsen verwendeten Luftfedern durch Beaufschlagung mit Druckluft eine Tragkraft und ermöglichen hierdurch eine gefederte Relativbewegung zwischen den Achsen bzw. dem Fahrgestell und dem Aufbau. Dies gilt sowohl für Straßen- als auch für Schienenfahrzeuge. Derartige Luftfedern können aber auch in der Schwingungsisolation von Industrieanlagen oder Gebäuden sowie als pneumatisch aktives Element in Industrieanlagen eingesetzt werden.
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Aufgrund von Verschleiß, Beschädigungen und dergleichen kann es im Laufe des Einsatzes einer Luftfeder zu Funktionsbeeinträchtigen bis hin zum vollständigen Ausfall der Funktion der Luftfeder kommen. Dies macht sich üblicherweise erst nach Eintreten derselben bemerkbar. Vorab einen drohenden Ausfall oder eine drohende Funktionsbeeinträchtigung der Luftfeder zu erkennen ist bisher nicht möglich.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Luftfeder der eingangs beschriebenen Art bereit zu stellen, so dass ein drohender Ausfall oder eine drohende Funktionsbeeinträchtigung der Luftfeder erkannt werden kann, bevor diese tatsächlich eintritt. Zumindest soll eine Alternative zu bekannten Luftfedern geschaffen werden.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Luftfeder mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Somit betrifft die vorliegende Erfindung eine Luftfeder mit einem Balg, welcher ausgebildet ist, ein Innenvolumen der Luftfeder zumindest abschnittsweise einzuschließen.
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Die Luftfeder ist gekennzeichnet durch wenigstens einen Luftschallsensor, welcher angeordnet und ausgebildet ist, Luftschall im Innenvolumen der Luftfeder zu erfassen und ein Luftschallsignal auszugeben, welches den erfassten Luftschall im Innenvolumen der Luftfeder repräsentiert. Unter Luftschall werden Schallwellen verstanden, welche sich über die Luft ausbreiten. Der Luftschall kann auch als akustischer Schall bezeichnet werden.
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Mit anderen Worten kann erfindungsgemäß ein Luftschall im Innenvolumen der Luftfeder erfasst und zur Verfügung gestellt werden, um aus einem aktuellen Wert bzw. aus einem zeitlichen Verlauf des Luftschalls Rückschlüsse auf den aktuellen Zustand bzw. auf Veränderungen des Zustands der Luftfeder schließen zu können, wie weiter unten näher beschrieben werden wird. Hierzu können z.B. die Amplitude und bzw. oder die Frequenz des Luftschall ausgewertet werden. Auch kann ein zeitlicher Verlauf des Luftschalls z.B. hinsichtlich eines Muster bzw. sich wiederholenden Muster ausgewertet werden.
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Beispielsweise kann eine Undichtigkeit des Balgs der Luftfeder zu einem Zischen der entweichenden Luft führen, welches als akustisch Geräusch vom Luftschallsensor erfasst und bei der Auswertung des Luftschallsignals erkannt werden kann. Eine derartige Undichtigkeit sowie weitere Ursachen akustischer Geräusche können z.B. aus der Alterung, der Beschädigung sowie aus dem unsachgemäßen Gebrauch der Luftfeder resultieren. Auch kann sich z.B. eine Gewebelage im Inneren des Balgs lösen oder ein Faden innerhalb einer Gewebelage des Balgs kann reißen. Dies kann den Übertragungsweg des Körperschalls und damit den Körperschall selbst verändern, so dass die Änderung des Körperschalls zumindest teilweise zu einem veränderten Luftschall führen kann.
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Hierdurch können ein drohender Ausfall oder eine drohende Funktionsbeeinträchtigung der Luftfeder früher als bisher bekannt erkannt und entsprechend rechtzeitig hierauf reagiert werden, um den Ausfall bzw. die Funktionsbeeinträchtigung der Luftfeder noch vor ihrem Eintreten abwenden oder zumindest schneller als bisher bekannt reduzieren oder beheben zu können. Auch kann eine Instandhaltung, Wartung und dergleichen (sog. „predictive maintenance“) unter Berücksichtigung dieser Erkenntnisse geplant und durchgeführt werden.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung weist die Luftfeder eine Auswerteeinheit auf, welche ausgebildet ist, das Luftschallsignal des Luftschallsensor zu erhalten und hinsichtlich des Zustands der Luftfeder auszuwerten. Die Auswerteeinheit kann auch als Rechnereinheit, als Recheneinheit, als Rechner, als Steuerungseinheit und dergleichen bezeichnet werden. Hierdurch kann das Luftschallsignal derart ausgewertet werden, dass eine selbststätige Einschätzung des Zustands der Luftfeder durch die Auswerteeinheit erfolgen kann, wie im Folgenden beispielsweise näher erläutert werden wird. Dies kann die Umsetzung der zuvor bereits angesprochenen Funktionen ermöglichen oder zumindest begünstigen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist die Auswerteeinheit ferner ausgebildet, in Abhängigkeit der Auswertung des Zustands der Luftfeder eine Reaktion zu veranlassen. Mit anderen Worten kann von der Auswerteeinheit selbsttätig auf das Ergebnis der Auswertung reagiert werden. Beispielsweise kann ein Betrieb der Vorrichtung, welche die Luftfeder verwendet, eingestellt und zumindest eingeschränkt werden, falls aus dem Luftschallsignal eine bereits eingetretene oder sich anbahnende Beschädigung der Luftfeder erkannt werden kann. Dies kann eine Beschädigung der Vorrichtung vermeiden, welche aus einem Ausfall bzw. aus einer Funktionsbeeinträchtigung der Luftfeder resultieren kann.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist die Auswerteeinheit ferner ausgebildet, den erfassten Luftschall des Luftschallsignals des Luftschallsensor mit wenigstens einem vorbestimmten Referenzwert zu vergleichen und bei Erreichen oder Überschreiten des Referenzwerts eine Reaktion zu veranlassen. Über die Wahl eines Referenzwertes kann eine Vorgabe erfolgen, um das Luftschallsignal als zulässig oder unzulässig bewerten zu können. Wird durch Einhalten des Referenzwerts seitens des Luftschallsignals ein zulässiges Verhalten der Luftfeder erkannt, so kann dessen Betrieb fortgesetzt werden. Wird hingegen der vorbestimmte Referenzwert seitens des Luftschallsignals erreicht oder überschritten, so kann dies als unzulässiges Verhalten der Luftfeder gewertet und hierdurch reagiert werden, um auf eine bereits eingetretene Beschädigung oder einen Ausfall der Luftfeder reagieren bzw. eine Zunahme der Beschädigung der Luftfeder zu verhindern.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist die Auswerteeinheit ferner ausgebildet, den erfassten Luftschall des Luftschallsignals des Luftschallsensor mit wenigstens zwei vorbestimmten Referenzwerten zu vergleichen und bei Erreichen oder Überschreiten eines der beiden Referenzwerte eine Reaktion zu veranlassen. In diesem Fall kann zwischen verschiedenen Beschädigungen oder Ausfallursachen der Luftfeder unterschieden werden, welche sich unterschiedlich auf den Luftschall auswirken können, welcher von dem Luftschallsensor erfasst werden kann, so dass diese Arten von Beschädigungen oder Ausfallursachen mittels des erfassten Luftschall voneinander unterschieden und hierdurch erkannt bzw. klassifiziert werden können. Dies kann die Möglichkeiten der Zustandsüberwachung der Luftfeder erhöhen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung hängt die Reaktion vom erreichten oder überschrittenen Referenzwert ab. Mit anderen Worten kann auf unterschiedliche Beschädigungen oder Ausfallursachen der Luftfeder unterschiedlich reagiert werden. Kann es in einem Fall ausreichend sein, z.B. auf einen erkennbar zunehmenden Verschleiß mit einem Hinweis an den Benutzer hierüber zu reagieren, kann bei einer erkannten Beschädigung des Balgs des Luftfeder eine sofortige kontrolliert eingeleitete Betriebsunterbrechung der Vorrichtung, welche die Luftfeder verwendet, angebracht sein. Hierdurch kann individuell und angemessen auf die verschiedenen Ursachen reagiert werden. Insbesondere kann vermieden werden, dass jeder erkannte unzulässige Zustand der Luftfeder zu einer Betriebsunterbrechung der Vorrichtung führen muss, was im Zweifelsfall eine notwendige Reaktion wäre, um sicher Beschädigungen der Vorrichtung zu vermeiden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist die Auswerteeinheit ferner ausgebildet, in Abhängigkeit des erreichten oder überschrittenen Referenzwerts eine Information auszugeben. Hierdurch kann zusätzlich oder alternativ zu einer selbsttätigen Reaktion eine Information an einen Benutzer oder auch z.B. an eine weitere Rechnereinheit z.B. der Vorrichtung ausgegeben werden, um die Information eines und ggfs. welches unzulässigen Zustand dort wahrnehmen zu können. Somit kann der Benutzer selbst auf diese Information reagieren. Auch kann z.B. eine höhergeordnete Steuerung wie z.B. eine Rechnereinheit z.B. der Vorrichtung die Informationen des unzulässigen Zustands der Luftfeder nutzen und ggfs. ihrerseits hierauf reagieren, z.B. durch eine Wartungsplanung.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung sind der Luftschallsensor und die Auswerteeinheit ausgebildet, das Luftschallsignal des Luftschallsensor drahtgebunden zur Auswerteeinheit zu übertragen. Unter einer drahtgebundenen Signalübertragung ist eine Signalübertragung über eine Leitung, über einen Draht, über ein Kabel und dergleichen zu verstehen. Dies kann eine einfache, direkte und vergleichsweise störungsunanfällige Signalübertragung ermöglichen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung sind der Luftschallsensor und die Auswerteeinheit ausgebildet, das Luftschallsignal des Luftschallsensor drahtlos zur Auswerteeinheit zu übertragen. Unter einer drahtlosen Signalübertragung ist eine Signalübertragung über elektromagnetischen Wellen und dergleichen zu verstehen. Dies kann beispielsweise über WLAN, über Bluetooth und dergleichen erfolgen. Dies kann vorteilhaft sein, um den Luftschallsensor innerhalb der Luftfeder anzuordnen und durch den Balg der Luftfeder hindurch nach außen übertragen zu können, ohne dass eine Leitung und dergleichen durch den Balg oder anderen Komponenten der Luftfeder hindurch geführt werden muss, was zu konstruktiven Einschränkungen sowie zu Dichtigkeitsproblemen führen könnte.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist der Luftschallsensor ein Mikrophon. Hierdurch kann ein einfacher und kostengünstiger Luftschallsensor zur Verfügung gestellt werden.
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Ein Ausführungsbeispiel und weitere Vorteile der Erfindung werden nachstehend im Zusammenhang mit der folgenden Figur erläutert. Darin zeigt:
- 1 eine schematische Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Luftfeder.
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Die Beschreibung der o.g. Figur erfolgt in kartesischen Koordinaten mit einer Längsrichtung (nicht dargestellt), einer zur Längsrichtung senkrecht ausgerichteten Querrichtung Y sowie einer sowohl zur Längsrichtung als auch zur Querrichtung Y senkrecht ausgerichteten vertikalen Richtung Z. Die Längsrichtung kann auch als Tiefe, die Querrichtung Y auch als Breite Y und die vertikale Richtung Z auch als Höhe Z bezeichnet werden.
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1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Luftfeder 1. Die Luftfeder 1 weist einen Kolben 10 auf, welcher bei der Nutzung der Luftfeder 1 feststehend auf einem ersten Bauteil (nicht dargestellt) wie z.B. auf einem Fahrgestell eines Straßenfahrzeugs oder eines Schienenfahrzeuges (nicht dargestellt) angeordnet ist. In der vertikalen Richtung Z gegenüberliegend oberhalb des Kolbens 10 weist die Luftfeder 1 eine Gleitplatte 14 bzw. eine Bördelplatte 14 auf, welche an einem zweiten Bauteil (nicht dargestellt) in Form einer Karosserie des Fahrzeugs (nicht dargestellt) feststehend angeordnet ist. Handelt es sich bei dem Fahrzeug um ein Schienenfahrzeug, so ist eine Gleitplatte 14 vorhanden. Wird ein Straßenfahrzeug betrachtet, so ist eine Bördelplatte 14 vorhanden.
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Zwischen dem Kolben 10 und der Gleitplatte 14 bzw. der Bördelplatte 14 ist ein Balg 11 angeordnet, welcher mit seinem unteren Balgende 12 mittels einer Befestigung 12a radial außen anliegend am Kolben 10 befestigt ist. Der Balg 11 ist ferner mit seinem oberen Balgende 13 mittels einer Befestigung 13a radial außen anliegend an der Gleitplatte 14 bzw. an der Bördelplatte 14 befestigt. Der Balg 11 wird dabei von zwei ringförmig geschlossenen Einschnürungselementen 15, welche durch Metallringe 15 und die Befestigungen 12a, 13a gebildet werden und in der vertikalen Richtung Z versetzt zueinander angeordnet sind, in der Form gehalten. Die Luftfeder 1 weist somit einen Faltenbalg 11 auf, dessen Bewegung aus der Stauchung der Falten resultiert, welche durch die Metallringe 15 gebildet werden. Das innerhalb des Balgs 11 eingeschlossene Luftvolumen A, welches konstant oder veränderlich sein kann, bewirkt die federnde Wirkung des Luftfeder 1 zwischen dem Fahrgestell und der Karosserie.
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Erfindungsgemäß ist ferner ein Sensorsystem 2 vorhanden, welches einen Luftschallsensor 20 aufweist, welcher innerhalb des Innenvolumens A in der vertikalen Richtung Z von unten an der Gleitplatte 14 bzw. an der Bördelplatte 14 angeordnet ist. Der Luftschallsensor 20 ist als Mikrofon 20 ausgeführt und über ein Kabel 21 durch die Gleitplatte 14 bzw. durch die Bördelplatte 14 hindurch mit einer Auswerteeinheit 22 verbunden.
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Von dem Mikrofon 20 kann nun im Betrieb der Luftfeder 1 der Luftschall erfasst und als Luftschallsignal über das Kabel 21 der Auswerteeinheit 22 zur Verfügung gestellt werden. Seitens der Auswerteeinheit 22 kann der jeweils aktuelle Wert des Luftschallsignals mit wenigstens einem Referenzwert verglichen werden, welcher einer Beschädigungsart der Luftfeder 1 entspricht.
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Wird dieser Referenzwert eingehalten, d.h. unterschritten, so kann dies als zulässiger Betrieb der Luftfeder 1 gewertet werden. Eine entsprechende Information kann seitens der Auswerteeinheit 22 z.B. einer Steuerungseinheit (nicht dargestellt) einer Vorrichtung wie z.B. einem Fahrzeug (nicht dargestellt) zur Verfügung gestellt werden, welches die Luftfeder 1 verwendet.
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Wird im Laufe des Betriebs jedoch dieser Referenzwert erreicht oder überschritten, so kann dies als unzulässiger Betrieb der Luftfeder 1 gewertet werden. In Reaktion hierauf kann in Abhängigkeit des verwendeten Referenzwertes z.B. eine Instandhaltung der Luftfeder 1 geplant oder der Betrieb der Luftfeder 1 bzw. der Vorrichtung kontrolliert unterbrochen werden, um ein Fortschreiten einer Beschädigung der Luftfeder 1 und damit einen Ausfall der Luftfeder 1 zu vermeiden. Werden wenigstens zwei unterschiedliche Referenzwerte verwendet, kann auch zwischen den Ursachen des unzulässigen Betriebs unterschieden und hierauf unterschiedlich reagiert werden. In jedem Fall kann zusätzlich eine Benachrichtigung eines Benutzers und bzw. oder der Steuerungseinheit der Vorrichtung durch eine Information seitens der Auswerteeinheit 22 erfolgen.
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Bezugszeichenliste
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- A
- Innenvolumen der Luftfeder 1
- Y
- Querrichtung; Breite
- Z
- vertikale Richtung; Höhe
- 1
- Luftfeder
- 10
- Kolben
- 11
- Balg; Faltenbalg
- 12
- unteres Balgende
- 12a
- Befestigung des unteren Balgendes 12
- 13
- oberes Balgende
- 13a
- Befestigung des oberen Balgendes 13
- 14
- Gleitplatte; Bördelplatte
- 15
- Einschnürungselemente; Metallringe
- 2
- Sensorsystem
- 20
- Luftschallsensor; Mikrofon
- 21
- Kabel
- 22
- Auswerteeinheit
