DE19710311A1 - Schwingungsdämpfer für Kraftfahrzeuge - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Schwingungsdämpfer (auch als Stoßdämpfer bezeichnet) für Kraftfahrzeuge mit den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen.

Es sind verschiedene Mittel bekannt, um die Relativposi­ tion und/oder -bewegung eines Dämpferkolbens in einem Dämpferzylinder zu bestimmen, was Basis ist für eine ak­ tive Beeinflussung der Fahrwerkseigenschaften des Fahr­ zeugs.

In der DE 41 12 276 A1 ist eine Kolbenstange des Dämpfer­ kolbens mit einem Schutzrohr mit Spule versehen. Die Re­ lativbewegung der Spule zum Zylinder ist analysierbar durch Veränderung des induktiven Widerstandes der Spule. Die Spule ist jedoch massebehaftet (was die Systemeigen­ schaften unerwünscht beeinflußt) mit hohen Kosten ver­ bunden und mechanisch sowie elektromagnetisch störanfäl­ lig.

In der DE 38 27 111 A1 ist ein Magnetschalter vorgesehen, der von einem Meßstab betätigt wird, der wiederum mit der Kolbenstange verbunden ist. Hier liegen Probleme vor, die mit den weiter oben genannten übereinstimmen.

Etwas weniger störanfällig ist eine Lösung nach DE 34 17 537 A1, da hier ein Meßstab in der Kolbenstange bewegt wird, wo ein Abtasten des Bewegungsweges vorgesehen ist.

Alle bekannten Systeme zur Erfassung der Relativposition und/oder -bewegung sind entweder mit zu geringer Genauig­ keit, zu hohem Aufwand oder mit zu großem Veränderungsbe­ darf an der Kolben-Zylinder-Einheit verbunden.

Es ist Aufgabe der Erfindung, diesen Nachteilen abzuhel­ fen und einen Schwingungsdämpfer der genannten Art zu schaffen, der nur geringfügig gegenüber herkömmlichen Dämpfern zu verändern ist und der bei kostengünstiger Bauweise Mittel zur genauen Erfassung der Relativposition und/oder -bewegung zwischen Kolben und Zylinder aufweist.

Zur Lösung dieser Aufgabe zeichnet sich der Schwingungs­ dämpfer durch alle im Patentanspruch 1 angegebenen Merk­ male aus. Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüche 2 bis 11.

Die Kolben-Zylinder-Einheit wird als Hohlraumresonator genutzt, wobei eine hochfrequente Schwingung über eine Sende-/Empfangsantenne in den Hohlraum eingebracht wird und eine Frequenzanalyse Rückschlüsse über das Hohlraum­ volumen und damit die Kolbenposition zuläßt. Es sind da­ mit keine aufwendigen mechanischen Mittel zur Bewegungs­ übertragung erforderlich. Nur die Antenne und eine elek­ tronische Auswerteeinrichtung sind vonnöten, so daß der Schwingungsdämpfer kaum zu verändern ist. Messungen sind sehr schnell störungsfrei und präzise durchführbar. Zur Temperaturkompensation kann ein Temperaturmeßelement in dem Hohlraum angeordnet sein, in dem auch die Antenne zum Einsatz kommt. So können Veränderungen des Hohlraumvolu­ mens rechnerisch kompensiert werden, wenn diese nicht auf Kolbenbewegungen zurückzuführen sind.

Eine andere Möglichkeit ist die Anordnung zweier Sende-/ Empfangsantennen, wobei beide vorteilhaft aber nicht not­ wendig in dem gleichen vom Kolben begrenzten Hohlraum (der Kolben begrenzt zwei Hohlräume im Zylinder - einen oberhalb und einen unterhalb der Kolbenfläche) angeordnet werden. Eine zweite Sende-/Empfangsantenne wird jedoch von einer Blende so abgedeckt, daß für diese Antenne kein kolbenpositionsabhängiges Volumen, sondern ein konstantes Volumen besteht. Veränderungen des Schwingungsverhaltens in diesem Raum sind auf Veränderungen des Raumes selbst (Temperaturdehnung) oder des Füllmediums zurückzuführen. Entsprechend ist dann eine Fehlerkompensation für das Si­ gnal der ersten Antenne möglich.

Die Anordnung der Sende-/Empfangsantenne bzw. -antennen kann sowohl in dem zylindrischen Hohlraum oberhalb des Kolbens als auch in dem Hohlraum unterhalb des Kolbens, der wegen der Kolbenstange zylinderringförmig ausgebildet ist, erfolgen. Letzterer Raum gilt als Koaxialresonator. Von Vorteil ist es, wenn beide Antennen in ein und dem­ selben Raum des Zylinders, also oberhalb oder unterhalb des Kolbens angeordnet sind. Für die Antenne zur Gewin­ nung des Referenzsignals, welches kolbenpositionsunabhän­ gig ist, sollte eine Anordnung in einem Bereich gewählt werden, in dem möglichst geringe Fluidturbulenzen bei der Arbeit des Schwingungsdämpfers stattfinden. Die Entfer­ nung zu gegebenenfalls vorhandenen Dämpferein- und -aus­ lässen als auch zu einem steuerbaren Dämpferventil sollte groß sein, so daß das Referenzsignal möglichst unabhängig von der Fluidströmung ist.

Da bei den Schwingungsdämpfern gemäß der Erfindung mikro­ elektronische Bauelemente und nicht aufwendige mechani­ sche Übertragungselemente zur Anwendung kommen, kann eine Auswerteeinrichtung in unmittelbarer Antennennähe ange­ ordnet werden. So werden Übertragungsfehler bei der Über­ tragung der Antennensignale vermieden und lange, die Si­ gnale verfälschende Datenleitungen sind nicht vonnöten.

Die Anordnung belastet die Kolben-Zylinder-Einheit mecha­ nisch nahezu gar nicht, so daß positive kinematische Ver­ hältnisse bestehen.

Die Auswerteeinrichtung besteht zumindest aus Oszillator, Gleichrichter und Hüllkurvendetektor, wobei ein Anschluß über vier Versorgungs- bzw. Signalleiter vonnöten ist. Der Oszillator sollte Schwingungen der Antenne im Reso­ nanzbereich des Hohlraumes/der Hohlräume anregen können. Die Verwendung von planaren Antennen hat sich als vor­ teilhaft erwiesen. Eine kapazitive Ankopplung an die Aus­ werteeinrichtung ist möglich. Der Radius der Antenne (ro­ tationssymmetrisch gestaltet) sollte geringer sein, als die Wellenlänge der abgegebenen Schwingungen, um negative Feldverteilungen auf der Antenne zu vermeiden.

Details der Erfindung werden anhand von Ausführungsbei­ spielen beschrieben. Von den zugehörigen Zeichnungen zeigt:

Fig. 1 eine schematisch dargestellte Kolben-Zylinder- Anordnung als Schwingungsdämpfer mit einer Sende-/Empfangsantenne;

Fig. 2 eine weitere Ausführung eines Schwingungsdämp­ fers mit zwei Sende-/Empfangsantennen und einer Blende im Raum abseits der Kolbenstange bei schematischer Darstellung;

Fig. 3 eine weitere Ausführung eines Schwingungsdämp­ fers mit zwei Sende-/Empfangsantennen und einer Blende im kolbenstangenseitigen Raum in schema­ tischer Darstellungsweise.

Soweit in den Figuren übereinstimmende Bauteile und Bau­ gruppen gezeigt sind, wurden auch gleiche Bezugszeichen verwendet.

Eine Kolben-Zylinder-Anordnung ist als Schwingungsdämpfer zwischen einem Radträger 1 und einem Fahrzeugrahmen 2 eingesetzt. Ein Zylinder 3 kann zwei Ein-/Auslässe 4 auf­ weisen. Ein Kolben 5 mit Kolbenstange 6 ist in dem Zylin­ der 3 translatorisch beweglich. Als Fluid zur Schwin­ gungsdämpfung können Gase, Öle und/oder elektroreologi­ sche Fluide zum Einsatz kommen. Der Schwingungsdämpfer ist in seiner Wirkung steuerbar, durch Betätigung eines Ventils 7 in dem Kolben 5. Das kann beispielsweise bei einer aktiven Fahrwerkssteuerung im Fahrzeugbetrieb er­ folgen. Wesentliche Grundlage für eine aktive Steuerung der Wirkung der Kolben-Zylinder-Anordnung ist die Kennt­ nis über die momentane Position des Kolbens 5 innerhalb des Zylinders 3. Es ist dann insgesamt möglich:

• - den Beladungszustand des Fahrzeugs zu analysieren,
• - eine automatische Leuchtweitenregulierung zu opti­ mieren,
• - in eine Getriebe- und/oder Motorsteuerung einzugrei­ fen,
• - ein ABS und eine ASR zu optimieren,
• - den Reifenluftdruck zu bestimmen,
• - die Motoren besser vom Chassis zu entkoppeln,
• - allgemein den Fahrkomfort sowie die Fahrsicherheit zu verbessern
• - und das Ergebnis von Bildverarbeitungsoperationen zu optimieren, da störende Einflüsse, hervorgerufen durch Bewegungen der Fahrzeugkarosserie und den dar­ an fixierten Kameras, modellierbar sind.

Der Kolben 5 begrenzt zwei Räume innerhalb des Zylinders 3, wobei ein Raum eine zylindrische und der andere Raum (kolbenstangenseitig) eine zylinderringförmige Gestalt hat. Die Größe beider Räume verändert sich mit der Stel­ lung des Kolbens 5 im Zylinder 3. Beide Räume können als Hohlraum eines Hohlraumresonators betrachtet werden, und bei jedem Raumvolumen stellen sich ganz bestimmte Reso­ nanzeigenschaften ein. Im Beispiel nach Fig. 1 ist am Kolben 5 im zylindrischen Raum abseits der Kolbenstange 6 eine planare Sende-/Empfangsantenne 8 zum Aussenden und Auffangen von hochfrequenten Schwingungen angeordnet. Die Antenne 8 ist über ein Dielektrikum 9 kapazitiv mit einer Auswerteeinrichtung 10 gekoppelt, welche aus elektroni­ schen Bauelementen besteht. Die Auswerteeinrichtung 10 ist über vier Leitungen 11 (durch die Kolbenstange 6 ver­ legt) elektrisch zu versorgen und die Meßwerte sind aus­ lesbar. Wie weiter oben beschrieben, besteht die Auswer­ teeinrichtung aus einem Oszillator zur Anregung der An­ tenne 8 sowie aus Elektronik zur Signalauswertung. Die von der Antenne 8 empfangenen Schwingungen lassen eine Frequenzanalyse zu, bei der eine Signalabhängigkeit von der Größe des Hohlraumes festzustellen ist. Diese Abhän­ gigkeit ist derart signifikant, daß die exakte Kolben­ stellung millimetergenau feststellbar ist.

Eine gewisse Problematik geht aus von Temperaturänderun­ gen und von Veränderungen in der Beschaffenheit des Dämp­ fer-Füllmediums, die in der Praxis grundsätzlich vorkom­ men. Temperaturdehnungen führen zu Änderungen der Raum­ größe und somit zu verfälschten Meßergebnissen, da die Raumgröße immer auf die Kolbenstellung rückbezogen wird. Wird im Hohlraum ein Temperatursensor angeordnet, sind die als wesentlich anzusehenden Temperaturfehler aus dem Meßergebnis korrigierbar. Eine geeignete Kompensation könnte schon im Oszillator stattfinden.

Von Vorteil ist es, wenn unter den jeweils aktuell im Dämpfer geltenden Bedingungen ein Zustandsreferenzwert ermittelt wird, der Auskunft über Abweichungen von einem Erwartungswert gibt. So sind Temperaturschwankungen, Er­ gebnisdrifts durch Alterung oder andere Fehler ausschalt­ bar. In Fig. 2 ist ein Schwingungsdämpfer gezeigt, der eine Antenne 12 aufzeigt, die mit Abstand zum Kolben 5 im Raum abseits der Kolbenstange 6 angeordnet ist. Sie ist ebenfalls kapazitiv und über Leitungen 13 mit einer Elek­ tronik gekoppelt und dient der Analyse der variablen Raumgröße unterhalb des Kolbens 5. Am Kolben 5, oberhalb der Antenne 12, ist jedoch eine Blende 14 befestigt, wel­ che einen Raum 15 konstanter Größe zwischen sich und der Kolbenfläche begrenzt. Die Blende 14 ist mit diversen Öffnungen 10 versehen, deren maximale Größe kleiner ist als die halbe minimale Wellenlänge der Schwingungen, die innerhalb des Raumes 15 von einer weiteren planaren An­ tenne 17 erzeugt werden. So kann der Raum 15 hochfre­ quenzmäßig als geschlossen gelten und Veränderungen bei der Analyse der von der Antenne 17 empfangenen Schwingun­ gen sind einzig und allein auf Veränderungen der herr­ schenden Bedingungen zurückzuführen. Für das Füllungs­ fluid des Zylinders 3 ist die Blende 14 offen. Die Verän­ derungen der Messungen im Raum 15 sind auf die Ergebnisse der Messungen mit der Antenne 12 im variablen Raum über­ tragbar. Die Antennen 12 und 17 können gemeinsam verka­ belt werden und die Ergebnisanalyse kann mittels einer Auswerteelektronik 18 in unmittelbarer Antennennähe erfol­ gen.

Im Beispiel nach Fig. 3 sind zwei Antennen 19, 20 im kolbenstangenseitigen Raum des Zylinders 3 angeordnet. Die Antenne 19 ist fest am Zylinder 3 hinter einer Blende 21 angeordnet, wobei die Blende 21 wieder einen schwin­ gungsmäßig geschlossenen Raum 22 begrenzt. Der Raum 22 als auch der variable Hohlraum, dessen Größe von der Kol­ benstellung abhängt, sind zylinderringförmig ausgebildet. Bei der Analyse der Kolbenstellung muß auch der Durchmes­ ser der Kolbenstange 6 berücksichtigt werden, was im Bei­ spiel nach Fig. 1 und 2 nicht vonnöten ist. Aus kon­ struktiven Gründen kann diese Variante jedoch vorteilhaft sein.

Wegen der zusätzlich notwendigen Räume 15, 22 sind die Zylinder 3 nach Fig. 2 und 3 etwas größer zu gestalten als der Zylinder 3 nach Fig. 1. Die Meßgenauigkeit ist jedoch sehr hoch und auch alterungsabhängige Fehler wer­ den eliminiert, was die Schwingungsdämpfer wartungsfrei macht.

Der Radius der rotationssymmetrisch gestalteten Antennen 8; 12, 17; 19, 20 sollte geringer sein als die Wellenlän­ ge der jeweils abgegebenen Schwingungen. Damit ist ver­ meidbar, daß ausgeprägte Feldverteilungen auf den Anten­ nen 8; 12, 17; 19, 20 entstehen. Jedoch ist die Impedanz der Antennen 8; 12, 17; 19, 20 auch vom Antennenradius abhängig, so daß dieser zu optimieren ist (abhängig von den jeweiligen Bedingungen).

Die erfindungsgemäßen Schwingungsdämpfer sind mechanisch und damit in ihrem kinematischen Verhalten nahezu unver­ ändert gegenüber herkömmlichen Dämpfern. Die Kolbenposi­ tion ist mit integrierter Elektronik mittels Hochfre­ quenzmeßtechnik sehr genau und schnell analysierbar. Bei einer Großserienfertigung entstehen nur geringe Zusatzko­ sten und die Meßeinrichtung ist wartungsfrei.

Claims (11)

1. Schwingungsdämpfer für Kraftfahrzeuge zur Abstützung eines Radträgers (1) zu einem Fahrzeugrahmen (2), mit einem in einem Zylinder (3) verschiebbaren Kol­ ben (5) und mit Mitteln zur Bestimmung der Relativ­ position und/oder -bewegung zwischen Kolben (5) und Zylinder (3), dadurch gekennzeichnet, daß der in Kolben-Zylinder-Bauform ausgebildete Schwingungs­ dämpfer als Hohlraumresonator für hochfrequente Schwingungen ausgebildet ist und zumindest eine Hochfrequenz-Sende-/Empfangsantenne (8; 12; 20) in einem von einer Kolbenfläche begrenzten Zylinder­ hohlraum angeordnet ist, wobei Sende- und Empfangs­ daten, insbesondere Frequenzen, mittels einer Spei­ se-/Auswerteeinrichtung (10; 18) im Hinblick auf das Hohlraumvolumen und damit die Relativposition und/oder -bewegung zwischen Kolben (5) und Zylinder (3) analysierbar sind.

2. Schwingungsdämpfer nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein Temperaturmeßelement im Bereich des Hohlraumes angeordnet ist, in dem die Hochfre­ quenz-Resonanzeigenschaften ermittelt werden und die erfaßte Temperatur der Speise-/Auswerteeinrichtung zugeführt wird.

3. Schwingungsdämpfer nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine Blende (14; 21) und eine weitere Sende-/Empfangsantenne (17; 19) für hochfrequente Schwingungen vorgesehen sind, wobei die Blende (14; 21) den Hohlraum zwischen der weiteren Sende-/Emp­ fangsantenne (17; 19) und der Kolbenfläche hochfre­ quenzmäßig verschließt, für ein Dämpfer-Füllmedium jedoch offen hält.

4. Schwingungsdämpfer nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Sende-/Empfangsantenne in dem von der Kolbenfläche begrenzten Hohlraum des Zylinders angeordnet ist, in dem nicht die weitere Sende-/Emp­ fangsantenne und die Blende plaziert sind.

5. Schwingungsdämpfer nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß beide Sende-/Empfangsantennen (12, 17; 19, 20) und die Blende (14; 21) in ein und demselben von der Kolbenfläche begrenzten Hohlraum des Zylin­ ders (3) angeordnet sind.

6. Schwingungsdämpfer nach zumindest einem der Ansprü­ che 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest wesentliche Bestandteile der Speise-/Auswerteein­ richtung (10; 18) in direkter Nähe der Sende-/Emp­ fangsantenne (8; 12, 17; 19, 20) angeordnet sind.

7. Schwingungsdämpfer nach zumindest einem der Ansprü­ che 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Spei­ se-/Auswerteeinrichtung (10; 18) zumindest aus einem Oszillator, einem Gleichrichter und einem Hüllkur­ vendetektor besteht und zumindest vier elektrische Anschlüsse für Versorgungs- und Signalleitungen (11; 13) aufweist.

8. Schwingungsdämpfer nach zumindest einem der Ansprü­ che 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Sende-/ Empfangsantenne (8; 12, 17; 20) am Kolben (5) ange­ ordnet und ein elektrischer Anschluß über die Kol­ benstange (6) erfolgt.

9. Schwingungsdämpfer nach zumindest einem der Ansprü­ che 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Sen­ de-/Empfangsantenne (8; 12, 17; 19, 20) zum Schwin­ gen im Frequenzbereich von 4,5 bis 6,5 GHz anregbar ist.

10. Schwingungsdämpfer nach zumindest einem der Ansprü­ che 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Sen­ de-/Empfangsantenne (8; 12, 17; 19, 20) als planare Antenne ausgeführt ist.

11. Schwingungsdämpfer nach zumindest einem der Ansprü­ che 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Sen­ de-/Empfangsantenne (8; 12, 17; 19, 20) rotations­ symmetrisch gestaltet und der Radius der Antenne ge­ ringer als die Wellenlänge der abgegebenen Schwin­ gungen ist.