DE19700966C1 - Einrichtung zur berührungslosen Abstands- und Druckmessung innerhalb einer Luftfeder - Google Patents

Einrichtung zur berührungslosen Abstands- und Druckmessung innerhalb einer Luftfeder

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Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur berührungslosen Abstands- und Druckmessung innerhalb der Luftfeder eines Kraftfahrzeuges gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Da sich der Abstand zwischen Aufbau und Achse auch bei unterschiedlichen Beladungszuständen des Fahrzeugs nicht ändern soll, ist es erforderlich, die Federhöhe zu messen und das System bei Abweichungen von der Sollhöhe durch Aufpumpen bzw Ablassen von Luft nachzuregeln.
Auch zur optimalen Ausnutzung der Achslasten von mehrachsigen Fahrzeugen ist eine Luftfederregelung erforderlich.
Gegenstand der Erfindung ist eine Meßeinrichtung in einer Luftfeder, bei der die jeweilige Fahrhöhe mit Hilfe einer Ultraschall-Abstandsmessung innerhalb der Luftfeder bestimmt werden soll.
Luftultraschall-Abstandsmessung wird z. B. bei der Füllstandsmessung von Behältern, zur Vermessung von Wohnräumen, zur Abstandsmessung beim Einparken eines Kraftfahrzeugs, zur Entfernungsmessung bei Autofokus-Fotoapparaten usw. eingesetzt.
In der deutschen Offenlegungsschrift DE 34 23 602 A1 wird eine Vorrichtung zur Messung des Abstands zwischen der Karosserie und der Achse eines Fahrzeugs unter Verwendung eines als Sender-/Empfänger ausgebildeten Ultraschall-Meßsystems vorgeschlagen.
Die Vorteile bei der Verwendung von Ultraschall innerhalb von Luftfedern liegen darin, daß innerhalb des Luftfederbalgs keine Verwirbelung der Schallwellen durch Fahrtwind möglich ist.
Andererseits besteht bei der Abstandsmessung innerhalb der Luftfederkammer das Problem, daß in den Luftfedern Druckunterschiede zwischen 0 und ca. 20 bar und Temperaturbereiche zwischen -40°C und +120°C zu bewältigen sind. Da die Schallgeschwindigkeit in einem realen Gas, wie hier die eingepumpte Luft, in starkem Maße druck- und temperaturabhängig ist, ergeben sich somit beträchtliche Fehler bei der Abstandsberechnung, wenn man eine fest vorgegebene Schallgeschwindigkeit zugrunde legt.
Um solche Fehler zu vermeiden, wird in der US-Patentschrift US 4.798.369 vorgeschlagen, mittels einer Rechnerschaltung eine Kompensation von Druck- und Temperaturabhängigkeit vorzunehmen.
Wie dies im einzelnen zu geschehen hat, wird nicht näher erläutert.
Die gattungsbildende DE 36 20 957 A1 beschreibt eine Luftfeder mit einem Ultraschall-Impuls/Echo-System zur Höhenmessung. Um die Auswirkungen von Laufgeschwindigkeitsänderungen der Impulse (die durch Luftdruck-, Temperatur- und Feuchtigkeitsänderungen im Innern des Balges auftreten können) auszuschalten, wird ein zusätzliches Fest-Target vorgeschlagen. Hiermit wird ein Relativwert der Laufzeiten bestimmt. Zur Berechnung der Fahrhöhe ist bei diesem Relativverfahren die Kenntnis der (momentanen) Schallgeschwindigkeit nicht erforderlich.
Der Nachteil bei solch einer Relativmethode unter Verwendung einer Referenzstrecke, wie sie in vergleichbarer Weise auch von einem Teleskopstoßdämpfer (DE 87 02 817 U1) her bekannt ist, besteht insbesondere darin, daß die technisch bedeutungsvollen Größen Druck und Temperatur nicht expliziert zur Anzeige gelangen. Das deutsche Gebrauchsmuster DE 87 02 817 U1 schlägt lediglich vor, zur Temperaturkompensation Thermistoren zu installieren. Einzelheiten werden auch hier nicht genannt.
Der Federdruck der für den Beladungszustand des Fahrzeugs, der Radlast usw. von Interesse ist, kann mit keiner der genannten Luftfeder-Meßanordnungen bestimmt werden.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist darin zu sehen, eine Luftfeder mit einem Ultraschall-Impuls/Echo-Meßsystem zu beschreiben, bei der mit einer einzigen Vorrichtung sowohl die exakte Höhe der Feder als auch deren Druck explizit angegeben werden können.
Mit einer Einrichtung zur berührungslosen Abstands- und Druckmessung innerhalb der Luftfeder eines Kraftfahrzeuges gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, daß die Sende-/Empfangs-Kom­ ponente mit dem ersten Reflektor in einem chassisfesten Rohrstutzen mittels einer Aufhängung elastisch gelagert ist und am chassisfesten Rohrstutzen ein zweiter gehäusefester Reflektor zur Bildung einer zweiten Referenzstrecke sr2 angeordnet ist, wobei aus den charakteristischen Größen Druck-Weg-Kennlinie der Aufhängung und druckabhängige Länge der zweiten Referenzstrecke sr2 der in der Luftfeder herrschende Druck bestimmt wird.
Zwar sind in diversen Anwendungsbereichen Druckaufnehmer auf DMS-Basis bzw. Piezo-Aufnehmer im Einsatz. Mit Hilfe der erfindungsgemäßen zweiten Referenzstrecke in Verbindung mit der elastischen Aufhängung des Wandlers wird aber außer der Bestimmung der Federhöhe auch erstmals gleichzeitig die Bestimmung des Parameters Druck mit einer einzigen Anordnung möglich.
Vorzugsweise wird der erste Reflektor von einem ersten Drahtbügel und der zweite Reflektor von einem zweiten Drahtbügel gebildet.
Verglichen mit einem Target in Form einer ebenen, an einem Stengel befestigten Metallscheibe haben die erfindungsgemäßen Drahtbügel-Reflektoren eine größere Stabilität, was im rauhen Fahrbetrieb von besonderer Bedeutung ist. Auch sind aus Draht gebildete Reflektoren besonders einfach und billig herstellbar.
Die interessierenden Daten: Fahrzeughöhe und Federdruck werden mit Hilfe einer Rechnerkomponente aus der gemessenen druckabhängigen Länge der zweiten Referenzstrecke in Verbindung mit der bekannten Druck/Weg-Kennlinie der Aufhängung bestimmt.
Im folgenden wird das erfinderische Luftfeder-Impuls/Echo-Meß­ system anhand eines Längsschnitts näher erläutert.
Die Abbildung zeigt eine Prinzipdarstellung eines in die Abdeckplatte (Bördelplatte) der Luftfeder elastisch eingebauten Wandlerelements nebst einer ersten und zweiten Referenzstrecke.
Eine Luftfeder besteht im wesentlichen aus einer am Fahrzeugrahmen bzw. Chassis befestigten Abdeckplatte (Bördelplatte) 2, einem Rollbalg und einem achs- bzw. radseitig befestigten (Abroll-)Kolben. Mit Hilfe des Rollbalgs kann der (Abroll-)Kolben eine Relativbewegung gegenüber der Abdeckplatte 2 ausführen.
Um die vom jeweiligen Beladungszustand und des Einfederungsvorgangs abhängige Fahrzeughöhe festzustellen, befindet sich innerhalb der Luftfeder ein Ultraschall-Meß­ system, das nach der sogenannten Impuls/Echo-Methode funktioniert. Zu diesem Zweck ist an der Abdeckplatte 2 ein piezoelektrischer Wandler 4 als Ultraschall-Impulsgeber und -empfänger angebracht. Auf dem dem Ultraschallwandler 4 gegenüberliegenden Ende des (Abroll-)Kolbens befindet sich ein Reflektor 6 bzw. eine für die Reflexion geeignete Fläche.
Bei der in der Abbildung dargestellten Ausführungsform weist die Abdeckplatte (Bördelplatte) 2 einen rohrförmigen Stutzen 8 auf. In diesem Rohrstutzen 8 befindet sich ein Schallwandler 4. Dieser Schallwandler 4 ist elastisch aufgehängt. Die elastische Aufhängung 10 stellt einen luftdichten Abschluß des Federinnenraums 12 gegenüber dem Außenraum 14 dar. Das elastische Lager 10 weist eine bestimmte Druck/Weg-Kennlinie auf.
Die Abbildung zeigt außer der Luftfeder-Abdeckplatte 2, dem daran befindlichen Rohrstutzen 8 und dem im elastischen Lager 10 aufgehängten Schallwandlers 4 eine erste (sr1) 16 und eine zweite Referenzstrecke (sr2) 18. Die erste Referenzstrecke (sr1) 16 erstreckt sich von der Wandleroberfläche 20 bis zu einem als erstem Drahtbügel 22 ausgebildeten, starr mit dem Schallwandler 4 verbundenen ersten Reflektor (R1) 24. Die Referenzstrecke (sr2) 18 beginnt ebenfalls an der Wandleroberfläche 20, erstreckt sich bis zu einem ebenfalls als (zweitem) Drahtbügel 26 ausgebildeten, aber starr mit dem Rohrstutzen 8 bzw. starr mit der Abdeckplatte 2 verbundenen zweiten Reflektor (R2) 28.
Neben diesen erfindungswesentlichen Referenzstrecken (sr1) 16 und (sr2) 18 gibt es noch eine vom Stand der Technik her bekannte Meßstrecke (sx) 30 zwischen Wandleroberfläche 20 und abrollkolbenfestem Reflektor 6.
Die Meßanordnung funktioniert folgendermaßen:
Ohne Kenntnis der Schallgeschwindigkeit kann die Federhöhe in herkömmlicher Weise (siehe z. B. DE-OS 36 20 957) aus dem Verhältnis der Laufzeiten von Meßstrecke (sx) 30 zu Referenzstrecke (sr1) 16 bestimmt werden.
Zusätzlich wird erfindungsgemäß der jeweils momentan im Innenraum 12 der Feder herrschende Druck aus den Impuls/Echo-Signalen der ersten (sr1) 16 und zweiten Referenzstrecke (sr2) 18 bestimmt: Durch einen Vergleich der beiden Laufzeiten läßt sich die durch den Innendruck verursachte Verschiebung des elastisch gelagerten Schallwandlers 4 angeben. Elastische Verschiebung und Druck/Weg-Kennlinie des elastischen Lagers 10 sind wiederum ein Maß für den Innendruck der Luftfeder.
Die Kenntnis des momentan in der Luftfeder herrschenden Drucks dient z. B. als Grundlage zur Berechnung des Beladungszustands bzw. der jeweiligen Radlast.
Bezugszeichenliste
2
Abdeckplatte (Bördelplatte)
4
(piezoelektrischer) Wandler, (Ultraschall-)Wandler, Sende/Empfangs-Komponente
6
Reflektor, reflektierende Fläche, Reflektor-Komponente
8
rohrförmiger Stutzen, Rohrstutzen
10
elastische Aufhängung, elastisches Lager
12
Feder-Innenraum
14
Außenraum
16
(erste) Referenzstrecke (sr1
)
18
(zweite) Referenzstrecke (sr2
)
20
Wandleroberfläche
22
(erster) Drahtbügel
24
(erster) Reflektor
26
(zweiter) Drahtbügel
28
(zweiter) Reflektor
30
Meßstrecke (sx
)

Claims (2)

1. Einrichtung zur berührungslosen Abstands- und Druckmessung innerhalb der Luftfeder eines Kraftfahrzeuges mit einer Ultraschall-Anordnung bestehend aus einer dem Chassis zugeordneten Sende-/Empfangs­ komponente (4) mit einem ersten Reflektor (24) zur Bildung einer ersten Referenzstrecke sr1 (16) und einem achsfesten Reflektor (6) zur Bildung einer Meßstrecke sx (30), dadurch gekennzeichnet,
daß die Sende-/Empfangs-Komponente (4) mit dem ersten Reflektor (24) in einem chassisfesten Rohrstutzen (8) mittels einer Aufhängung (10) elastisch gelagert ist und am chassisfesten Rohrstutzen (8) ein zweiter gehäusefester Reflektor (28) zur Bildung einer zweiten Referenzstrecke sr2 (18) angeordnet ist,
wobei aus den charakteristischen Größen Druck-Weg-Kennlinie der Aufhängung (10) und druckabhängige Länge der zweiten Referenzstrecke sr2 (18) der in der Luftfeder herrschende Druck bestimmt wird.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der erste Reflektor (24) von einem ersten Drahtbügel (22),
und daß der zweite Reflektor (28) von einem zweiten Drahtbügel (26) gebildet wird.
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