DE19710311C2 - Schwingungsdämpfer für Kraftfahrzeuge - Google Patents
Schwingungsdämpfer für KraftfahrzeugeInfo
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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.
Vorteile gegenüber diesen bekannten mechanisch-elektrischen
Meßprinzipien bieten Lösungen, die beispielsweise in der
gattungsbildenden DE 40 41 407 A1, US 4 798 369 oder DE 87 02 817 U1
dokumentiert sind. Dort werden Ultraschallsender
in die von Kolben-Zylinder-Baugruppen gebildeten Hohlräume
eingesetzt und zur Feststellung der Kolbenposition (in
Ableitung davon der Kolbengeschwindigkeit) genutzt. Re
flektierte Ultraschallwellen werden empfangen und nach dem
Laufzeitprinzip bzw. dem Doppler-Prinzip ausgewertet. Der
artige Ultraschall-Meßverfahren sind stark abhängig von der
Geschwindigkeit des in den Hohlräumen fließenden Öls (auch
Turbulenzen) und von der Blasen- oder Schaumbildung im Öl,
wobei die Auswertung der reflektierten Wellen weiter
fehlerbehaftet wird, durch Impulsflankenverzerrungen. Durch
die zwangsweise Signalauswertung nach Ablauf der Signal-
Laufzeit ist die Meßgenauigkeit zusätzlich begrenzt.
Insgesamt sind Ultraschall-Meßmethoden in der konkreten An
wendung für den Serieneinsatz aufgrund der Fehlerquellen
ungeeignet.
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 abzuhelfen
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 -bewe
gung zwischen Kolben und Zylinder aufweist.
Diese Aufgabe wird durch einen Schwingungsdämpfer mit allen
im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Einzel
heiten der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen
2 bis 11.
Die Kolben-Zylinder-Einheit wird als Hohlraumresonator ge
nutzt, wobei eine hochfrequente Schwingung über eine Sende-
/Empfangsantenne in den Hohlraum eingebracht wird und eine
Frequenzanalyse Rückschlüsse über das Hohlraumvolumen und
damit die Kolbenposition zuläßt. Es sind damit keine auf
wendigen mechanischen Mittel zur Bewegungsübertragung er
forderlich. Nur die Antenne und eine elektronische Auswer
teeinrichtung sind vonnöten, so daß der Schwingungsdämpfer
kaum zu verändern ist. Messungen sind sehr schnell stö
rungsfrei und präzise durchführbar. Zur Temperaturkompensa
tion kann ein Temperaturmeßelement in dem Hohlraum angeord
net sein, in dem auch die Antenne zum Einsatz kommt. So
können Veränderungen des Hohlraumvolumens rechnerisch kom
pensiert werden, wenn diese nicht auf Kolbenbewegungen zu
rückzuführen 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 dient und zumindest eine Hochfrequenz-
Sende-/Empfangsantenne (8; 12; 20) in einem von der
Kolbenfläche begrenzten Zylinderhohlraum angeordnet
ist, wobei Sende- und Empfangs-Frequenzen mittels
einer Speise-/Auswerteeinrichtung (10; 18) im Hin
blick auf das Hohlraumvolumen analysiert werden und
damit die Relativposition und/oder -bewegung zwi
schen Kolben (5) und Zylinder (3) feststellbar ist.
2. Schwingungsdämpfer nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß ein Temperaturmeßelement im Bereich
des Hohlraumes angeordnet ist, durch das die erfaßte
Temperatur der Speise-/Auswerteeinrichtung (10; 18)
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 offenhält.
4. Schwingungsdämpfer nach Anspruch 3, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Sende-/Empfangsantenne (8; 12; 20)
in dem von der Kolbenfläche begrenzten Hohlraum des
Zylinders (3) angeordnet ist, in dem nicht die wei
tere Sende-/Empfangsantenne (17; 19) und die Blende
(14; 21) 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 ist und ein elektrischer Anschluß über die
Kolbenstange (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.
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