DE19701530C1

DE19701530C1 - Einrichtung zur Bestimmung des axialen Abstandes zweier Endglieder einer Gasdruckfeder

Info

Publication number: DE19701530C1
Application number: DE1997101530
Authority: DE
Inventors: Norbert Fischer
Original assignee: ContiTech Luftfedersysteme GmbH
Current assignee: ContiTech Luftfedersysteme GmbH
Priority date: 1997-01-17
Filing date: 1997-01-17
Publication date: 1998-08-06
Anticipated expiration: 2017-01-18

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Bestimmung des axialen Abstandes zweier Endglieder einer Gasdruckfeder mit einer Gasdruckfederplatte und einem Gasdruckfederkolben, zwischen denen ein flexibler Balg eingespannt ist, so daß ein von den Endgliedern und dem flexiblen Balg begrenzter Raum entsteht, wobei

- die beiden Endglieder in axialer Richtung der Gasdruckfeder zueinander beweglich sind und
- innerhalb des Raumes an einem Endglied ein Ultraschallsender und an dem anderen Endglied ein Ultraschallempfänger angeordnet ist, mit deren Hilfe durch Erfassen der Laufzeit von Ultraschallimpulsen, die vom Ultraschallsender zum Ultraschallempfänger laufen, der axiale Abstand zwischen den Endgliedern bestimmbar ist.

In modernen Federungssystemen werden in zunehmendem Maß Gasdruckfedern verwendet, da diese u. a. einen besseren Federungskomfort und eine Niveau-Regulierung ermöglichen. Gasdruckfedern kommen beispielsweise in Schienenfahrzeugen, Omnibussen, Lastkraftwagen und Personenkraftwagen zum Einsatz. Insbesondere werden Gasdruckfedern zur Federung von Fahrersitzen von Lastkraftwagen und Omnibussen bzw. zur Federung der Fahrerhäuser von Lastkraftwagen und zur Federung von Schienenfahrzeug-Drehgestellen und zur Federung von Omnibussen, Lastkraftwagen und Personenkraftwagen verwendet. Bei der Federung von Omnibussen, Lastkraftwagen oder Personenkraftwagen mit Hilfe von Gasdruckfedern werden diese zwischen den gefederten und ungefederten Teilen des Fahrzeuges angebracht und mit einem Ventilmechanismus über eine Druckluftquelle verbunden, über den die Druckluft einer Gasdruckfeder zugeführt oder von dieser abgelassen werden kann, um die Höhe des gefederten Teils über dem ungefederten Teil einzustellen und vorzugsweise konstant zu halten. Das in den Ventilmechanismus eingesetzte Ventil kann beispielsweise durch einen mechanischen Betätigungsarm betätigt werden, der auf eine Relativbewegung zwischen den gefederten und ungefederten Teilen des Fahrzeuges reagiert und das Ventil öffnet bzw. schließt.

Mit einem mechanischen Betätigungsarm ist die Regelung des Ventils zwar möglich, jedoch ist als nachteilig anzusehen, daß der Betätigungsarm eine relativ komplizierte Konstruktion aufweist und darüber hinaus unter dem Fahrzeug freiliegt und somit Einwirkungen von Straßenschmutz, Wasser und auch korrosiven Stoffen ständig ausgesetzt ist.

In der DE 3 620 957 A1 ist deshalb auch schon vorgeschlagen worden, den axialen Abstand der beiden Endglieder einer Gasdruckfeder, der zu dem Abstand zwischen den gefederten und ungefederten Teilen eines Fahrzeuges direkt proportial ist, mit Hilfe eines Ultraschallsensors einzustellen, der innerhalb der Gasdruckfeder angeordnet und somit keinerlei "Umwelteinflüssen" ausgesetzt ist.

Gemäß einem ersten aus der DE 3 620 957 A1 bekannten Ausführungsbeispiel umfaßt der Ultraschallsensor einen Ultraschallsender und einen Ultraschallempfänger und ist an einem Endglied der Gasdruckfeder angeordnet. An dem gegenüberliegenden Endglied der Gasdruckfeder ist ein Reflektor angebracht und mit dieser Anordnung wird der axiale Abstand zwischen den Endgliedern der Gasdruckfedern wie folgt gemessen: Der Ultraschallsender sendet an den Reflektor einen Ultraschallimpuls aus, der dort nach Durchlaufen der axialen Länge der Gasdruckfeder reflektiert und nach einem weiteren Durchlauf der axialen Länge der Gasdruckfeder von dem Ultraschallempfänger wieder empfangen wird. Aus der Laufzeit des Ultraschallimpulses wird der axiale Abstand zwischen den Endgliedern bestimmt und über ein der Gasdruckfeder zugeordnetes Ventil wird der Gasdruckfeder Druckluft zugeführt oder von dieser abgelassen, wenn der gemessene axiale Abstand nicht einem vorgegebenen axialen Abstand der Endglieder entspricht.

Die Bestimmung des axialen Abstandes der Endglieder der Gasdruckfeder kann offensichtlich nur dann funktionieren, wenn der Ultraschallimpuls an dem Reflektor derartig reflektiert wird, daß er nach einem weiteren Durchlauf durch die Gasdruckfeder von dem Ultraschallempfänger empfangen wird. Eine derartige Reflektion ist aber keineswegs immer gewährleistet, da sich die beiden Endglieder der Gasdruckfeder nicht nur axial zueinander bewegen. Vielmehr kann es aufgrund einer fehlenden axialen Führung der Gasdruckfeder dazu kommen, daß die beiden Endglieder der Gasdruckfeder "seitlich zueinander" versetzt werden. In diesem Fall sind der Reflektor und der Ultraschallempfänger nicht mehr "richtig zueinander ausgerichtet", so daß der reflektierte Ultraschallimpuls nicht mehr von dem Ultraschallempfänger empfangen werden kann. Diesem Problem kann keinesfalls dadurch abgeholfen werden, daß der Ultraschallsender einen Ultraschallimpuls mit einer "breiten Keulenform" aussendet, da es dann zu Reflexionen an den unterschiedlichsten Stellen der Gasdruckfeder kommen kann, die das Meßergebnis verfälschen.

Wohl aus diesem Grunde ist in der DE 3 620 957 A1 bereits vorgeschlagen worden, den Ultraschallsensor so auszubilden, daß der Ultraschallsender an einem Endglied und der Ultraschallempfänger an dem gegenüberliegenden Endglied der Gasdruckfeder angeordnet ist. In diesem Fall kann nämlich der Ultraschallsender einen Ultraschallimpuls mit einer "breiten Keulenform" aussenden, so daß auch bei einem seitlichen Versatz zwischen dem Ultraschallsender und dem Ultraschallempfänger der Ultraschallimpuls noch von dem Ultraschallempfänger empfangen wird. Aus der Laufzeit des Ultraschallimpulses von dem Ultraschallsender zu dem Ultraschallempfänger kann dann der axiale Abstand zwischen den Endgliedern der Gasdruckfeder bestimmt werden. Es ist der DE 3 620 957 A1 indes nicht zu entnehmen, wie die Laufzeit bestimmt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zu schaffen, die an einem Endglied der Gasdruckfeder einen Ultraschallsender und an dem anderen Endglied der Gasdruckfeder einen Ultraschallempfänger aufweist, mit deren Hilfe der axiale Abstand der Endglieder der Gasdruckfeder auf einfache Art und Weise bestimmbar ist.

Gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 wird die Aufgabe bei einer Gasdruckfeder der eingangs genannten Art wie folgt gelöst:

- der Ultraschallsender verfügt über eine elektromagnetische Empfangseinheit, die zum Empfang eines elektromagnetischen Signals geeignet ist,
- der Ultraschallempfänger verfügt über eine elektromagnetische Sendeeinheit, die zur Aussendung eines elektromagnetischen Signals an den Ultraschallsender zu dem Zeitpunkt geeignet ist, in dem von dem Ultraschallempfänger ein Ultraschallimpuls empfangen wird,
- der Ultraschallsender ist mit einem Zeitnehmer verbunden, der infolge der Aussendung des Ultraschallimpulses des Ultraschallsenders an den Ultraschallempfänger startbar und infolge des Empfangs des elektromagnetischen Signals durch die elektromagnetische Empfangseinheit stoppbar ist, und
- der Ultraschallsender ist mit einer Auswerteeinheit verbunden, die zur Bestimmung des axialen Abstandes der Endglieder aus der mit dem Zeitnehmer gestoppten Zeit geeignet ist.

Bei dem elektromagnetischen Signal, das von dem Ultraschallempfänger an den Ultraschallsender gesendet wird, kann es sich beispielsweise um einen Lichtimpuls oder um ein elektromagnetisches Signal im "Radiofrequenzbereich" handeln. Die Verwendung von Lichtimpulsen hat den Vorteil, daß eine Gasdruckfeder gegenüber der Umgebung an sich "lichtdicht" abgeschlossen ist. Werden als Lichtimpulse Infrarotlichtimpulse verwendet, so wird die elektromagnetische Empfangseinheit des Ultraschallsenders auch nicht durch etwaiges eindringendes Licht gestört.

Der Grundgedanke der Erfindung ist darin zu sehen, daß zusätzlich zu dem Ultraschallimpuls-Übertragungsweg zwischen dem Ultraschallsender und dem Ultraschallempfänger ein weiterer berührungsloser Signalübertragungsweg eingerichtet wird, über den der Ultraschallempfänger dem Ultraschallsender "mitteilen" kann, daß er den Ultraschallimpuls empfangen hat. Dabei ist die Signalausbreitungsgeschwindigkeit auf dem weiteren Signalübertragungsweg wesentlich höher als die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Ultraschallimpulses, so daß die Signalübertragung auf dem zusätzlichen Signalübertragungsweg die Laufzeitmessung nicht verfälscht (elektromagnetische Signale bewegen sich bekanntlich mit Lichtgeschwindigkeit, so daß die Laufzeit des elektromagnetischen Signals vom Ultraschallempfänger zum Ultraschallsender bei der Laufzeitmessung sicher zu vernachlässigen ist).

Der mit der Erfindung erzielte Vorteil ist insbesondere darin zu sehen, daß der Ultraschallsender und der Ultraschallempfänger vollkommen berührungslos miteinander kommunizieren, so daß auf eine anfällige Kabelverbindung zwischen dem Ultraschallsender und dem Ultraschallempfänger und damit zwischen den Endgliedern der Gasdruckfeder verzichtet werden kann.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 2 ist der Ultraschallsender an der Gasdruckfederplatte und der Ultraschallempfänger an dem Gasdruckfederkolben angeordnet. Der Vorteil dieser Weiterbildung ist darin zu sehen, daß insbesondere dann, wenn die Gasdruckfeder zur Federung eines Fahrzeuges verwendet wird, sich der Ultraschallsender an gefederten Teilen des Fahrzeuges befindet und über ein Kabel, das von dem Ultraschallsender zu einer Spannungsquelle des Fahrzeuges geführt wird, einfach mit Energie versorgt werden kann. Auf eine komplizierte Kabelführung von ungefederten Teilen zu gefederten Teilen des Fahrzeuges kann also verzichtet werden.

Der Ultraschallempfänger kann beispielsweise mittels einer Batterie mit Energie versorgt werden, gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 3 ist der Ultraschallsender jedoch so ausgebildet, daß er ein elektromagnetisches Feld erzeugen kann. In diesem Fall ist der Ultraschallempfänger mit einer Spule aus leitendem Material gekoppelt, in die elektromagnetische Feldenergie durch magnetische Induktion zur Energieversorung des Ultraschallempfängers eingekoppelt wird. Vorzugsweise ist der Ultraschallempfänger auf einem integrierten Schaltkreis angeordnet, der leitend mit der Spule verbunden ist. Ein mit einer Spule gekoppelter integrierter Schaltkreis wird allgemein auch als Transponder bezeichnet. Bei der erläuterten Weiterbildung geschieht die Aussendung eines elektromagnetischen Signals durch den Ultraschallempfänger dadurch, daß entweder die Amplitude oder die Frequenz des elektromagnetischen Feldes, das den Ultraschallempfänger mit Energie versorgt, moduliert wird. Der Vorteil dieser Weiterbildung ist darin zu sehen, daß auf eine separate Energieversorgung des Ultraschallempfängers verzichtet werden kann.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 4 verfügt der Ultraschallsender über einen Mikroprozessor, der die Funktionen des Zeitnehmers und der Auswerteeinheit übernimmt und von dem das Aussenden des Ultraschallimpulses und das Starten des Zeitnehmers veranlassbar ist. Der Vorteil dieser Weiterbildung ist darin zu sehen, daß alle wesentlichen Elemente für die Bestimmung des axialen Abstandes der Endglieder der Gasdruckfeder in dem Ultraschallsender angeordnet sind.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 5 ist das elektromagnetische Signal individuell codiert. Der Zeitnehmer wird nur dann gestoppt, wenn die elektromagnetische Empfangseinheit des Ultraschallsenders das individuelle codierte Signal empfängt. Eine Störung der elektromagnetischen Empfangseinheit durch ein "Fremdsignal", das beispielsweise von der elektromagnetischen Sendeeinheit des Ultraschallempfängers einer benachbarten Gasdruckfeder ausgesendet wird, und ein dadurch bedingter Meßfehler der Laufzeit ist somit ausgeschlossen.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 6 wird von der elektromagnetischen Sendeeinheit des Ultraschallempfängers an die elektromagnetische Empfangseinheit des Ultraschallsenders ein elektromagnetisches Dauersignal gesendet, das dann in das individuelle codierte Signal übergeht, wenn im Ultraschallempfänger der Ultraschallimpuls registriert wird. Der Vorteil dieser Weiterbildung ist darin zu sehen, daß anhand des Dauersignales ständig eine Funktionsprüfung des Ultraschallempfängers durchgeführt werden kann und entsprechende Maßnahmen eingeleitet werden können, wenn das elektromagnetische Dauersignal nicht mehr empfangen wird.

Weitere Vorteile und ein Ausführungsbeispiel der Erfindung werden anhand der nachstehenden Figuren erläutert, darin zeigt:

Fig. 1 eine Gasdruckfeder

Fig. 2 ein Schaubild.

Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung eine Gasdruckfeder 2, wobei nur die für die nachfolgenden Erläuterungen notwendigen Bestandteile der Gasdruckfeder gezeigt sind. Die Gasdruckfeder 2 verfügt über eine Gasdruckfederplatte 4 und einen Gasdruckfederkolben 6, zwischen denen ein flexibler Balg 8 derartig eingespannt ist, daß von der Gasdruckfederplatte 4, dem Gasdruckfederkolben 6 und dem flexiblen Balg 8 ein luftdichter Raum 30 eingeschlossen wird. Die Gasdruckfeder kann beispielsweise über die Gasdruckfederplatte 4 an das nichtgezeigte Chassis eines Fahrzeuges und über den Gasdruckfederkolben 6 an die nichtgezeigte Achse des Fahrzeuges angebracht werden und dient dann seiner Federung. Die Funktionsweise der Gasdruckfeder 2 ist an sich bekannt und soll hier nicht näher erläutert werden. Die Gasdruckfeder 2 verfügt über einen Luftanschluß 14, der über eine nichtdargestellte Steuereinheit mit einer ebenfalls nicht dargestellten Druckluftquelle verbunden ist. Die Steuereinheit verfügt über ein elektrisch zu betätigendes Ventil, das zur Zu- und Abführung von Druckluft in das Innere des flexiblen Balges 8 betätigt werden kann, um so die Gasdruckfederplatte 4 gegenüber dem Gasdruckfederkolben 6 anzuheben bzw. abzusenken. Eine Anhebung der Gasdruckfederplatte 4 gegenüber dem Gadruckfederkolben 6 findet z. B. statt, wenn das Fahrzeug beladen wird und sich somit infolge der Zuladung der axiale Abstand zwischen der Gasdruckfederplatte 4 und dem Gasdruckfederkolben 6 verringert. Es wird in diesem Fall wieder der ursprüngliche Abstand zwischen der Gasdruckfederplatte 4 und dem Gasdruckfederkolben 6 eingestellt.

Zur Bestimmung des axialen Abstandes der Gasdruckfederplatte 4 von dem Gasdruckfederkolben 6 verfügt die Gasdruckfeder 2 innerhalb des Raumes 30 über einen Ultraschallsender 10, der vorzugsweise an der Gasdruckfederplatte 4 angeordnet ist und über einen Ultraschallempfänger 12, der vorzugsweise an dem Gasdruckfederkolben 6 angeordnet ist. Der Ultraschallsender 10 ist über ein Kabel mit einer Spannungsquelle und mit der oben erwähnten Steuereinheit verbunden, um an das elektrische Ventil der Steuereinheit die notwendigen Signale übermitteln zu können. Mit Hilfe des Ultraschallsenders 10 und des Ultraschallempfängers 12 wird der axiale Abstand zwischen der Gasdruckfederplatte 4 und dem Gasdruckfederkolben 6 wie folgt bestimmt (vergleiche hierzu auch Fig. 2):

Der Ultraschallsender 10 verfügt über einen Mikroprozessor 22, der ein Signal an die Ultraschallsendeeinheit 18 leitet. Gleichzeitig wird im Mikroprozessor 22 ein Zeitnehmer gestartet. Die Ultraschallsendeeinheit 18 sendet infolge des Signals einen Ultraschallimpuls 28 aus, der von der Ultraschallempfangseinheit 20 des Ultraschallempfängers 12 empfangen wird. Infolge des Empfangs des Ultraschallimpulses 28 übermittelt die Ultraschallempfangs einheit 20 ein Signal an die elektromagnetische Sendeeinheit 26 des Ultraschallempfängers 12. Infolge des Empfangs dieses Signals sendet die elektromagnetische Sendeeinheit 26 ein bevorzugt individuell codiertes Signal an die elektromagnetische Empfangseinheit 24 des Ultraschallsenders 10 aus. Wenn die elektromagnetische Empfangseinheit 24 das elektromagnetische Signal empfängt, gibt sie ein Signal an den Mikroprozessor 22 des Ultraschallsenders 10 weiter, der unmittelbar nach Empfang dieses Signals den Zeitnehmer stoppt. Da die Laufzeiten der intern weitergegebenen Signale und des elektromagnetischen Signals von der elektromagnetischen Sendeeinheit 26 zu der elektromagnetischen Empfangseinheit 24 zu vernachlässigen sind, zeigt der Zeitnehmer des Mikroprozessors 22 die Laufzeit des Ultraschallimpulses 28 von dem Ultraschallsender 10 zu dem Ultraschallempfänger 12 an. In dem Mikroprozessor 22 wird aus der gemessenen Zeit der axiale Abstand zwischen dem Ultraschallsender 10 und dem Ultraschallempfänger 12 und somit zwischen der Gasdruckfederplatte 4 und dem Gasdruckfederkolben 6 (s. Fig. 1) bestimmt. Weicht dieser Abstand über ein vorgegebenes Maß hinaus von einem vorgegebenen Abstand ab, so wird über das Kabel 16 ein entsprechendes Signal an die Steuereinheit übermittelt, woraufhin von der Steuereinheit durch Ansteuerung des oben genannten Ventils ein Zuführen bzw. Abführen von Druckluft in die Gasdruckfeder 2 veranlaßt wird.

Vorzugsweise wird der Ultraschallempfänger 12 durch ein elektromagnetisches Feld, das vom Ultraschallsender 10 erzeugt wird, mit Energie versorgt. Dazu verfügt der Ultraschallempfänger 12 über eine aus leitendem Material gefertigte Spule 32, in die durch magnetische Induktion Energie eingekoppelt wird.

Bezugszeichenliste

2

Gasdruckfeder

4

Gasdruckfederplatte

6

Gasdruckfederkolben

8

flexibler Balg

10

Ultraschallsender

12

Ultraschallempfänger

14

Luftanschluß

16

Kabel

18

Ultraschallsendeeinheit

20

Ultraschallempfangseinheit

22

Mikroprozessor

24

elektromagnetische Empfangseinheit

26

elektomagnetische Sendeeinheit

28

Ultraschallimpuls

30

luftdichter Raum

32

Spule

Claims

1. Einrichtung zur Bestimmung des axialen Abstandes zweier Endglieder (4, 6) einer Gasdruckfeder (2) mit einer Gasdruckfederplatte (4) und einem Gasdruckfederkolben (6), zwischen denen ein flexibler Balg (8) eingespannt ist, so daß ein von den Endgliedern (4, 6) und dem flexiblen Balg (8) begrenzter Raum (30) entsteht, wobei

1. - die beiden Endglieder (4, 6) in axialer Richtung der Gasdruckfeder (2) zueinander beweglich sind und
2. - innerhalb des Raumes (30) an einem Endglied (4, 6) ein Ultraschallsender (10) und an dem anderen Endglied (4, 6) ein Ultraschallempfänger (12) angeordnet ist, mit deren Hilfe durch Erfassen der Laufzeit von Ultraschallimpulsen (28), die von dem Ultraschallsender (10) zum Ultraschallempfänger (12) laufen, der axiale Abstand zwischen den Endgliedern (4, 6) bestimmbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß
3. - der Ultraschallsender (10) über eine elektromagnetische Empfangseinheit (24) verfügt, die zum Empfang eines elektromagnetischen Signals geeignet ist,
4. - der Ultraschallempfänger (12) über eine elektromagnetische Sendeeinheit (26) verfügt, die zur Aussendung eines elektromagnetischen Signals an den Ultraschallsender (10) zu dem Zeitpunkt geeignet ist, in dem von dem Ultraschallempfänger (12) ein Ultraschallimpuls (28) empfangen wird,
5. - der Ultraschallsender (10) mit einem Zeitnehmer verbunden ist, der infolge der Aussendung des Ultraschallimpulses (28) an den Ultraschallempfänger (12) startbar und infolge des Empfanges des elektromagnetischen Signals durch die elektromagnetische Empfangseinheit (24) stoppbar ist, und
6. - der Ultraschallsender (10) mit einer Auswerteeinheit verbunden ist, die zur Bestimmung des axialen Abstandes der Endglieder (4, 6) aus der mit dem Zeitnehmer gestoppten Zeit geeignet ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschallsender (10) an der Gasdruckfederplatte (4) und der Ultraschallempfänger (12) an dem Gasdruckfederkolben (6) angeordnet ist.

3. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß von dem Ultraschallsender (10) ein elektromagnetisches Feld erzeugbar ist, das der Energieversorgung des Ultraschallempfängers (12) dient.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschallsender (10) über einen Mikroprozessor (22) verfügt, der die Funktionen des Zeitnehmers und der Auswerteeinheit übernimmt und von dem das Aussenden des Ultraschallimpulses (28) und das Starten des Zeitnehmers veranlaßt wird.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem elektromagnetischen Signal um ein individuell codiertes Signal handelt.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß von der elektromagnetischen Sendeeinheit (26) des Ultraschallempfängers (12) an die elektromagnetische Empfangseinheit (24) des Ultraschallsenders (10) ein Dauersignal gesendet wird, das in das codierte Signal übergeht, wenn im Ultraschallempfänger (12) der Ultraschallimpuls (28) registriert wird.