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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Ultraschall-Luftfederanordnung
mit einem elastischem Luftfederbalg zur Aufnahme von Federbewegungen,
wobei der Luftfederbalg ein erstes Ende und ein dem ersten Ende
gegenüber
liegendes zweites Ende aufweist, welche relativ zueinander beweglich angeordnet
sind, und einem an dem ersten Ende des Luftfederbalgs angeordneten
Ultraschallsensor zur Erfassung des Abstands zwischen dem ersten
und dem zweiten Ende des Luftfederbalgs, der einen für hohe Frequenzen
ausgelegten Ultraschallwandler mit einem piezoelektrischen Radialschwinger
enthält.
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Luftfedern
dienen als Federelement an Nutzfahrzeugen und in jüngster Zeit
auch als Federelement in Hochgeschwindigkeitszügen. Die Luftfeder sitzt dabei
als Feder- und Dämpfungselement
zwischen Achse und Fahrzeugaufbau. In der Regel sind auf einer Achse
links und rechts in der Nähe
der Räder
jeweils eine Luftfeder montiert. Weitere Anwendungen finden sich
an Personenkraftwagen und an stationären Industrieanlagen.
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Eine
Luftfeder weist herkömmlicherweise
einen elastischen Luftfederbalg zur Aufnahme der Federbewegungen
und Befestigungsteile auf. Der Luftfederbalg selber enthält Deckschichten
aus Elastomer-Werkstoffen, Gewebeeinlagen und einen Stahldrahtkern.
Der Luftfederbalg ist an den beiden offenen Enden mittels Befestigungsteilen
abgedichtet und am Fahrzeug befestigt. In der Luftfeder kann ein Puffer
angeordnet sein, der als Endanschlag und Notlauffeder dient, wenn
die Luftfeder vollständig
zusammengedrückt
wird.
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Über einen
Kompressor, einen Druckluft-Vorratsbehälter und ein steuerbares Ventil
wird Luft in die Luftfeder eingebracht. Dies bewirkt ein Aufblasen und
Aufrichten der Luftfeder. Der Fahrzeugaufbau wird angehoben. Die
eingebrachte Luftmenge bestimmt den Hub, d. h. wie weit der Aufbau
angehoben wird. Die Kompressibilität der Luft bewirkt die Feder- und Dämpfungsfunktion
der Luftfeder. Über
ein weiteres Ventil kann die Luft aus der Luftfeder wieder entfernt
werden. Dies bewirkt ein Absenken des Fahrzeugaufbaus. In der Regel
wird die zu entfernende Luft einfach in die Umgebung abgelassen.
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Stand der Technik
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Um
einen Fahrzeugaufbau in die korrekte Position anzuheben, muß dessen
Höhe relativ
zur Achse bekannt sein. Stand der Technik ist es, an Aufbau und
Achse Gestänge
mit Gelenken anzubringen, die auf einen Drehwinkelsensor wirken.
Eine Veränderung
der relativen Höhe
zwischen Fahrzeugaufbau und Achse wirkt über die Gestänge auf
den Drehwinkelsensor. Die Information dieses Drehwinkelsensors wird
in eine Steuereinheit eingelesen und dort in ein Höhensignal
umgerechnet. Diese Steuereinheit dient dazu, den Fahrzeugaufbau
in eine bestimmte Höhenposition
zu bringen. Dies geschieht durch Einlassen und Ablassen von Luft
in bzw. aus der Luftfeder. Die Steuereinheit wirkt auf entsprechende
Ventile, die zwischen einem Druckluft-Vorratsbehälter und jeder Luftfeder und
an Auslaßstutzen
sitzen. Die Firma Wabco aus Hannover hat eine derartige Steuereinheit
für den
Einsatz an Nutzfahrzeugen entwickelt. Über die Rückmeldung der Drehwinkelsensoren
regelt die Steuereinheit die Luftmenge in jeder Luftfeder nach,
so dass die Höhenposition
des Fahrzeugaufbaus ständig
auf ein vorgegebenes Niveau nachgeregelt wird. Über ein Handbediengerät kann der Fahrzeugführer auch
den Fahrzeugaufbau in jede beliebige Höhe innerhalb des Hubs der Luftfedern bringen.
Dies ist besonders nützlich,
da für
das Be- und Entladen
eines Lkw die Ladefläche
an die Höhe einer
Fahrzeugrampe angepaßt
werden kann. Ein anderes Beispiel ist der Einsatz an Linienbussen.
Sogenannte Niederflurbusse sind in der Lage, den Fahrzeugaufbau
nur auf der rechten Seite abzusenken, um den Passagieren einen komfortablen
Ein- und Ausstieg zu ermöglichen.
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Während der
Fahrt eines mit Luftfedern ausgestatteten Fahrzeuges veranlaßt die Steuereinheit, dass
der Fahrzeugaufbau auf einer vom Fahrzeughersteller vorgegebenen
Position gehalten wird. Der Drehwinkelsensor meldet fortlaufend
die aktuelle Positionen des Fahrzeugaufbaus an die Steuereinheit zurück
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Nachteilig
bei dem heute eingesetzten Drehwinkelsensor ist der mechanische
Aufwand für
die notwendigen Gestänge,
die den Höhenunterschied zwischen
Achse und Aufbau in eine Drehbewegung umsetzen. Die Gestänge und
der Drehwinkelsensor sind teuer in der Herstellung und Montage.
Auch sind Drehwinkelsensoren störanfällig, da
sie unterhalb des Fahrzeugaufbaus allen Witterungsbedingungen und
dem Wasser und Dreck, den die Räder
während der
Fahrt aufwirbeln, ausgesetzt sind. In unebenem Gelände können diese
Gestänge
auch abgefahren werden.
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Die
US-Patentschrift 4,798,369 beschreibt eine
Luftfeder mit einem elastischen Luftfederbalg und einem Ultraschallsensor,
der in einer oberen Platte des Luftfederbalgs eingebaut ist und
nach der Echo-Laufzeitmessung innerhalb des Luftfederbalgs den Abstand
zu einem unteren Kolben mißt.
Der herkömmliche
Ultraschallsensor, der nach der Echo-Laufzeitmessung arbeitet, enthält einen
Ultraschallgenerator, einen Ultraschall-Sendewandler, einen Ultraschall-Empfangswandler,
einen Signalverstärker,
eine Steuerlogik und eine Ausgangsstufe. Die Steuerlogik wird üblicherweise
mit einem Mikroprozessor verwirklicht. Die Funktionsweise ist wie folgt:
Die Steuerlogik gibt auf den Ultraschallgenerator einen kurzen Triggerimpuls.
Der. Ultraschallgenerator erzeugt darauf einen einzelnen Impuls
(Diracstoß)
oder ein Schwingungspaket, der auf den Ultraschall-Sendewandler
geführt
wird. Der Ultraschall-Sendewandler strahlt einen kurzen Schallimpuls
ab. Dieser Schallimpuls läuft
zu einem unteren Kolben, wird dort reflektiert und gelangt als Echo
zurück
zum Ultraschall-Empfangswandler. Im Verstärker wird das Echosignal verstärkt und
auf die Steuerlogik geführt.
Die Steuerlogik mißt über einen
internen Zähler
die Zeit zwischen Aussenden des Schallimpulses und Empfang des Echosignals.
Da die Schallgeschwindigkeit bekannt ist, kann über die so gemessene Echo-Laufzeit
auf die Entfernung zwischen Ultraschallsensor und Kolben geschlossen werden.
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Der
gemessene Entfernungswert wird über die
Ausgangsstufe an das Steuergerät
ausgegeben. Der Einsatz eines Ultraschallsensors in der Luftfeder hat
den Vorteil, dass ein derartiger Sensor optimal gegen mechanische
Beschädigungen
geschützt
ist. Die über
den Kompressor in die Luftfeder eingeblasene Luft ist in der Regel
gefiltert, entfeuchtet und entölt.
Somit herrschen in der Luftfeder im Vergleich zu den Außenbedingungen
optimale Umgebungsbedingungen für
eine Höhenmessung.
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Die
in der
US-Patentschrift 4,798,369 beschriebene
Luftfeder weist einen Ultraschallwandler mit zu niedriger Ultraschallfrequenz
auf. Die herkömmliche
Ultraschallfrequenz ist mit 33 kHz bis 40 kH derart niedrig gewählt, dass
der dafür
vorgesehene Ultraschallsensor im Schallfeld einen sehr großen Öffnungswinkel
besitzt. Es besteht die Gefahr, dass der Ultraschallsensor nicht
nur ein Echo von dem gegenüber
liegenden Kolben, sondern auch fälschlicherweise
von der inneren Falte des Luftfederbalgs empfängt.
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Eine
Frequenz von 40 kHz entspricht einer Wellenlänge von ca. 9 mm. Die Wellenlänge geht
bei einer Echo-Laufzeitmessung maßgeblich in die erzielbare
Meßgenauigkeit
ein. Die Meßgenauigkeit bzw.
das Auflösungsvermögen beträgt üblicherweise etwa
eine Wellenlänge.
Soll ein Fahrzeugaufbau mit einer Genauigkeit von +/–3 mm im
Niveau positioniert werden, ist dies mit einem herkömmlichen
Ultraschall-Höhensensor
mit einer Frequenz von 40 kHz nicht oder nur mit erheblichem elektronischem
Aufwand möglich.
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Der
erforderliche Meßbereich,
den ein Ultraschallsensor in einer Luftfeder abdecken soll, beträgt etwa
0 mm bis 500 mm. Ist kein Überdruck
in der Luftfeder vorhanden, ist diese vollständig zusammengedrückt: die
obere Platte liegt auf dem unteren Kolben bzw. auf einem Puffer
auf. Der Abstand zwischen dem Ultraschallsensor, der auf oder in
der oberen Platte montiert ist, und dem Puffer beträgt unter
Umständen
nur wenige mm. Ist der Luftfederbalg vollständig aufgeblasen, beträgt der Abstand
zwischen Platte und Kolben z. B. 500 mm.
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Der
in der oben angeführten
Patentschrift beschriebene niederfrequente Ultraschallwandler ist
in Bezug auf eine Verwendung zur Abstandsmessung in einem Luftfederbalg
dahingehend nachteilig, dass bedingt durch seinen Aufbau der sogenannte
Nahbereich sehr groß ist
und typischerweise bei über
20 cm liegt. Will man nämlich
mit nur einem Ultraschallwandler den Sendeimpuls abstrahlen und
anschließend über denselben
Ultraschallwandler die Echosignale empfangen, muß mit dem Empfang der Echosignale
so lange gewartet werden, bis der Sendeimpuls vollständig abgeklungen
ist. Bei niederfrequenten Ultraschallwandlern mit piezoelektrischem
Wandlerelement liegt der Nahbereich entsprechend der Aus- bzw. Nachschwingzeit
typischerweise bei 20 cm und mehr. Ist jedoch eine Abstandsmessung
von wenigen mm beabsichtigt, müssen
zwei Ultraschallwandler in dem Ultraschallsensor vorgesehen werden,
nämlich
ein Ultraschallwandler zum Senden des Schallimpulses und ein Ultraschallwandler
zum Empfangen der Echosignale. Nur so kann bei Ultraschallwandlern
mit langer Nachschwingzeit der Nahbereich drastisch verkürzt werden.
Jedoch vergrößert der
Einsatz von zwei getrennten Ultraschallwandlern zum Senden und Empfangen
von Ultraschall- bzw. Echosignalen die mechanischen Abmessungen
des Ultraschallsensors und verteuert ihn erheblich.
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Zudem
haben die in der
US-Patentschrift 4,798,369 beschriebenen
Luftfedern Ultraschallwandler, welche hohe Rauschpegel besonders
beim Ein- oder Ausströmen
der Luft aufweisen. Wird Luft über
die Ventile in die Luftfeder ein- oder ausgelassen, entsteht an
den Lufteinlässen
parasitärer
Ultraschall. Dieses Phänomen
ist bekannt. Wird beispielsweise ein Ventil aus einem Autoreifen
herausgeschraubt, entsteht ein sehr hoher Pfeifton. Das so entstehende
Ultraschall-Rauschen reicht weit über den 40 kHz-Frequenzbereich
hinaus. D. h. in dem Moment, wo der Ultraschallsensor ein aktuelles
Höhensignal
liefern soll, empfängt
er, hervorgerufen durch die niedrigere Ultraschall-Frequenz und
den großen
Schallfeld-Öffnungswinkel,
einen sehr hohen Rauschpegel. Versuche haben ergeben, dass dieser Rauschpegel
deutlich über
dem Nutzsignal liegt. In dieser Phase ist eine Entfernungsmessung
nicht möglich.
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Auch
weist die herkömmliche
Ultraschall-Luftfeder keine Kompensierung der Temperaturabhängigkeit
der Schallgeschwindigkeit als Störgröße auf.
Als Richtwert sei hier die Abhängigkeit
mit 0,17°C
genannt. Ändert
sich beispielsweise die Lufttemperatur um z. B. +/–20°C, bewirkt
dies einen Meßfehler
von ca. +/–3,4%.
Legt man eine maximale Meßstrecke
von 500 mm zugrunde, bewirkt diese einen Meßfehler von +/–17 mm.
Bei einer angestrebten Genauigkeit von z. B. +/–3 mm ist es also notwendig, diese
Störeinflüsse zu kompensieren.
Wird Luft in den Luftfederbalg eingelassen, bewirkt die Kompression
der Luft einen sehr schnellen Anstieg der Lufttemperatur. Bei praktischen
Versuchen wurden Temperatursprünge
von über
50°C gemessen.
Umgekehrt kühlt
sich die Luft in dem Luftfederbalg sehr schnell und sehr stark ab,
wenn Luft aus der Luftfeder ausgelassen wird. Diese sehr starken
Temperatursprünge
nehmen mit Erreichen des Druckgleichgewichtes wieder ab. Die Ausgleichvorgänge können zwei
Minuten Zeit beanspruchen.
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Das
in der gattungsbildenden
DE
36 20 957 A1 offenbarte Federungssystems ist für Fahrzeuge einsetzbar,
bei denen Luft-Federn zwischen dem gefederten und ungefederten Teil
des Fahrzeugs angebracht sind, bei welchen eine Vorrichtung aus
einem piezoelektrischen Sendeempfänger für Ultraschallimpulse in einer
zylindrischen Vertiefung der Grundplatte innerhalb des Luftbalges
axial angeordnet ist. Die Vorrichtung weist zwei Reflektoren auf.
Der eine feststehende Reflektor in Form eines unbeweglichen Target
ist eine an einer Stange befestigte Metallscheibe. Ein weiterer
Reflektor, hier ein beweglicher, wird durch eine ebene Fläche des
Kolbens geschaffen und reflektiert gleichfalls Ultraschallimpulse
zu dem Sendeempfänger.
Die Vorrichtung ist so ausgelegt, daß sie Signale an die zugeordnete
Steuereinheit in zeitlicher Abfolge abgibt, die der Aussendung eines
Ultraschallimpulses und der darauffolgenden Rückkehr eines von dem feststehenden
Target reflektierten Impulses und eines von dem sich mit dem Kolben
bewegenden Target reflektierten Impulses entsprechen. Das bedeutet,
daß das
herkömmliche Federungssystem
zwei Reflektoren erforderlich macht, um die Auswirkung von Laufgeschwindigkeitsänderungen
im Inneren des Luftbalges auszuschalten.
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Zudem
macht die Lehre aufgrund der Anordnung von zwei Reflektoren in der
Luftfeder einen höheren
technischen Aufwand an Bauteilen erforderlich. Weiterhin ist zu
berücksichtigen,
daß Luftfedern in
ihrem täglichen
Einsatz in Kraftfahrzeugen auf Straßen mit bereits geringfügigen Unebenheiten – im günstigsten
Falle – einer
hohen mechanischen Belastung ausgesetzt sind, so daß die Ausrichtung
des beweglichen Reflektors zu dem unbeweglichen Reflektor in dem
herkömmlichen
Federungssystem nicht dauerhaft verwirklicht wird, weil gerade dieses Bauteil
mit hohen Kräften
beaufschlagt wird.
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Der
in der
DE 40 28 315
A1 offenbarte Ultraschallwandler misst die Laufzeit von
Ultraschall-Impulsen in einem Gas, insbesondere in Gas-Durchflußmessgeräten. Der
herkömmliche
Ultraschallwandler wird zur Mengenmessung von Erdgas oder als Luftmengenmesser
eingesetzt, beispielsweise in Verbindung mit Heizungsanlagen.
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Die
Anforderungen, die an einen Gaszähler zur
Mengenmessung von Erdgas oder an einem Luftmengenmesser gestellt
werden, unterscheiden sich von den Anforderungen an ein Abstandsmessgerät zur Anwendung
in einer Luftfederanordnung, weil beispielsweise der herkömmliche
Ultraschallwandler in Gaszählern
eine starke Schallbündelung
zur exakten Mengenmessung von Erdgas erfordert und keine besonderen
Vorkehrungen wegen Verschmutzungen zu treffen sind, wie sie aber
in Fahrzeugen auftreten.
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Aufgabenstellung
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Aufgabe
der Erfindung soll es sein, eine Ultraschall-Luftfederanordnung
bereit zustellen, die Meßungenauigkeiten
bei der Abstandsmessung in einem Luftfederbalg vermeidet, auch geringfügige Abstände von
wenigen Millimetern meßbar
macht und rasche Abstandsmessungen nacheinander durchführen kann.
Das Schallfeld der bereit zustellenden Ultraschall-Luftfederanordnung
soll scharf gebündelt
sein, nur geringfügig
aus- und nachschwingen sowie die Meßraten erhöhen. Zudem soll die Ultraschall-Luftfederanordnung
unempfindlich sein gegenüber
Straßenschmutz,
Wasser und korrosiven Substanzen, die sich innerhalb des Hohlraums
des Luftfederbalges anzusammeln vermögen.
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Die
Aufgabe wird gelöst
durch die Merkmale des Hauptanspruchs. Die Unteransprüche betreffen bevorzugte
Ausgestaltungen und Weiterentwicklungen der Erfindung.
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Die
erfindungsgemäße Ultraschall-Luftfederanordnung
erfährt
wegen der von dem Ultraschallwandler benutzten Frequenz von 60 bis
400 kHz eine sehr hohe Meßgenauigkeit
und eine drastische Verringerung des Nahmeßbereichs, um ebenso Messungen
der bedingt durch Straßenunebenheiten
geringen Abstände
von Kolben zu dem oberen Ende (= dem ersten Ende) des Luftfederbalges
durchzuführen.
Zudem werden wegen der Auslegung der Arbeitsfrequenz des Ultraschallwandlers,
der Ausfüllung
des Topfes mit Dämpfungsmaterialien
sowie wegen der geringen Schallfeldöffnung Störreflexionen weitgehend unterdrückt. Auch
wird wegen der der o. g. Frequenzen entsprechenden Wellenlängen ein sehr
hohes Auflösungsvermögen ermöglicht und
ein feinfühliges
Meßvermögen gewährt, ein
Umstand, welcher die in Luftfedern von Kraftfahrzeugen auftretenden
Schwankungen zu quantifizieren vermag.
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Durch
die Bündelung
der Schallkeule und das weitgehende Fehlen von Störreflektionen
unter anderem bedingt durch die Anordnung des Radialschwingers am
Topfboden sowie dem bündigen
Abschluss der Apertur mit dem ersten Ende des Luftfederbalges werden
die vorteilhaften Messeigenschaften im Nahbereich in der erfindungsgemäßen Ultraschall-Luftfederanordnung
derart unterstützt,
daß weitgehend
Meßungenauigkeiten
nicht auftreten und damit die bei der gegebenenfalls möglichen
Weiterverarbeitung der in Signale übersetzten Abstandsmeßergebnisse
geschalteten Gegenmaßnahmen, wie
Druckerhöhung
zwecks Höhenausgleichs
der Luftfeder, nicht erfolgen.
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Zudem
ermöglicht
die erfindungsgemäße Ultraschall-Luftfederanordnung
eine Vereinfachung der erforderlichen Bauteile, um den auf die Ultraschall-Luftfederanordnung
einwirkenden Kräften,
Erschütterungen
und Verschmutzungen angepaßt
zu sein. Es ist weder eine dauerhafte Zentrierung von Bauteilen
zueinander erforderlich, noch ist eine Abstandsmessung auf indirektem
Weg im Gegensatz zum Stand der Technik erforderlich.
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Auch
zeichnet sich die erfindungsgemäße Ultraschall-Luftfederanordnung
aus durch eine scharfe Bündelung
des Schallfeldes und damit der Messung von kurzen Abständen und
die Konzentrierung auf kleine Reflektorflächen, unabhängig von Rauhigkeiten benachbarter
Flächen,
sowie durch ein kurzes Aus- und Nachschwingen und damit der Erhöhung der
Meßraten
und einer Unempfindlichkeit gegenüber Straßenschmutz, Wasser und korrosiven Substanzen,
die sich innerhalb des Hohlraums des Luftfederbalges anzusammeln
vermögen.
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Demgemäß enthält der Ultraschallsensor
der Ultraschall-Luftfeder nur einen Ultraschallwandler, der für eine hohe
Frequenz ausgelegt ist und der ein piezoelektrisches Wandlerelement
sowie einen Anpassungskörper
aufweist, dessen Dicke ein Viertel der wandlereigenen Wellenlänge beträgt.
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Der
Ultraschallwandler arbeitet bei einer hohen Frequenz von mindestens
60 kHz und besitzt einen verringerten Nahbereich und Schallfeld-Öffnungswinkel,
wodurch sich eine Erhöhung
des Meßbereichs
sowie eine Erhöhung
der Meßgenauigkeit ergibt.
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Ausführungsbeispiel
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Die
vorliegende Erfindung wird in der nachfolgenden Beschreibung unter
Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert.
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1 veranschaulicht
den prinzipiellen Aufbau der erfindungsgemäßen Ultraschall-Luftfederanordnung;
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2 zeigt
ein Schaltungsdiagramm eines Ultraschallsensors;
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3 zeigt
die Anordnung eines Ultraschallsensors in einem zylindrischen Dom,
der an dem oberen Ende eines Luftfederbalgs angebracht ist;
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4 zeigt
die Anordnung eines Ultraschallsensors in einem sich nach außen verjüngenden Dom,
der an einer oberen Platte (einem ersten Ende) eines Luftfederbalgs
angebracht ist;
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5 zeigt
eine Rauschpegelerkennungsschaltung des Ultraschallsensors;
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6 stellt
die Anordnung eines Referenzreflektors an der Innenseite des sich
nach außen
verjüngenden
Doms dar;
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7 zeigt
die kugelförmige
Oberflächenausbildung
der dem Ultraschallsensor zugewandten Seite des Kolbens bzw. des
Puffers (des zweiten Endes) des Luftfederbalgs;
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8 zeigt
einen Impuls-Ultraschallwandler;
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9 stellt
ein Flußdiagramm
dar sowie
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10 zeigt
ein Zeitdiagramm.
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1 zeigt
eine bevorzugte Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Ultraschall-Luftfederanordnung.
Demgemäß enthält die erfindungsgemäße Ultraschall-Luftfederanordnung 20 einen
Luftfederbalg 22, der eine obere Platte 24 (erstes
Ende) und einen mit einem Puffer 27 versehenen Kolben 26 (zweites
Ende) aufweist, und einen Ultraschallsensor 30, der einen
extrem hochfrequenten Ultraschallwandler 2, 3 aufweist.
Der Ultraschallwandler 2, 3 besitzt ein piezoelektrisches
Wandlerelement und eine darauf angeordnete sogenannte Lambda/4-Anpaßschicht.
Die Lambda/4-Anpaßschicht
dient dazu, die unterschiedlichen Wellenwiderstände zwischen dem aus einer
Piezokeramik bestehenden Wandlerelement und der Umgebungsluft anzupassen.
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Im
folgenden wird der Aufbau und die Funktionsweise derartig aufgebauter
Ultraschallwandler 2, 3 dargestellt. Einem Kunstharz
werden Glashohlkugeln beigemischt. Aus diesem Material werden Scheiben
gewonnen, die in ihrer Stärke
ein Viertel der Wellenlänge
der zu verwendenden Ultraschallfrequenz betragen und die Lambda/4-Anpaßschicht 41 bilden.
Auf die Rückseite
einer derartigen als Scheibe ausgebildeten Lambda/4-Anpaßschicht 41 sind
in der Mitte eine Piezoscheibe und ein darum angeordneter Schwingring
bzw. Metallring geklebt. Die Lambda/4-Anpaßschicht 41 und der
Schwingring bilden zusammen eine Lambda/2-Schicht. Das derart ausgebildete
Schwingelement ist weich gelagert z. B. in einem PU-Schaum oder
in einem Silikon. Ultraschallwandler 2, 3 nach
diesem Funktionsprinzip lassen sich gut für einen Frequenzbereich von
typischerweise 60 kHz bis 400 kHz aufbauen. Sie zeichnen sich durch
eine scharfe Bündelung
des Schallfelds und ein kurzes Aus- bzw. Nachschwingen aus. Für die Anwendung
im Luftfederbalg 22 eignen sich vorzugsweise Ultraschallwandler,
die bei einer Frequenz von mindestens 100 kHz arbeiten. Besonders
geeignet ist der Frequenzbereich zwischen 300 und 400 kHz. Ein 400
kHz Ultraschallwandler obiger Gattung hat einen Nahbereich von nur
60 mm und eine sehr schlanke Schallkeule.
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Als
Lambda/4-Anpaßschicht
eignen sich auch noch andere Materialien wie zum Beispiel PE (Polyethylen).
Hervorragende Eigenschaften hat auch das Naturprodukt Kork, allerdings
ist dessen Verarbeitung nicht unproblematisch.
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Versuche
mit dem oben beschriebenen 400 kHz Ultraschallwandler haben gute
Meßwerte Über den
gesamten Meßbereich
gezeigt. Allerdings ist ein Nahbereich von 60 mm für diese
Anwendung immer noch recht hoch. Vorzugweise wird der Ultraschallsensor
30 um den Nahbereich nach hinten versetzt in einem auf der oberen
Platte 24 angebrachten Dom 32 angeordnet (3).
Der Dom 32 ist zylindrisch ausgebildet und besitzt erfindungsgemäß einen Durchmesser,
der wenigstens 5mal größer ist
als die Apertur des Ultraschallwandlers 2, 3 ist.
Dies ist notwendig, um eine nicht zu hohe Schalldichte im Bereich
der Domwandungen zu bekommen. So kann vermieden werden, dass kleinste,
unvermeidbare Rauhigkeiten oder Schmutzpartikel auf der Innenwand
zu Störreflektionen
führen.
Versuche haben gezeigt, dass bei einem Innendurchmesser von 30 mm das
Risiko von Störreflektionen
ausreichend gering ist. Natürlich
wäre ein
noch größerer Domdurchmesser
vorteilhafter; jedoch ist dieser in der Regel aufgrund der begrenzten
Einbaubedingungen in der oberen Platte nicht realisierbar. Der Dom 32 kann
im oberen Bereich entsprechend 4 verjüngt sein. Der
Dom öffnet
sich konisch oder parabelförmig.
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Derartige
Anordnungen bergen allerdings nach wie vor die Gefahr, dass bei
geringsten Schmutzablagerungen innerhalb des Doms 32 es dort
zu Schallreflektionen kommt. Will man diese Nachteile vermeiden,
muß man
den Ultraschallsensor 30 bündig mit dem Ultraschallwandler 2, 3 in
die obere Platte 22, d. h. in das erste Ende 24,
des Luftfederbalgs 22 einlassen. In dieser Einbaulage wäre aber
ein noch kürzerer
Nahbereich vorteilhaft.
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Man
könnte
den oben beschriebenen Ultraschallwandler 2, 3 stärker bedämpfen, dies
reduziert jedoch gleichzeitig das Übertragungsmaß und schränkt somit
die maximal erreichbare Tastweite ein.
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Weitere
Verbesserungen bringt der Einsatz sogenannter Impuls-Ultraschallwandler
(8). Bei diesem Typ von Ultraschallwandler wird
aus einem Material mit guten akustischen Koppeleigenschaften ein
Topf 43 gebildet, in dem eine Piezoscheibe 40 geklebt
wird. Die Dicke der radial schwingenden Piezoscheibe 40 beträgt vorteilhafterweise
etwa 5% des Durchmessers derselben. Der gesamte Topf 43 besteht
vorzugsweise wieder aus mit Glashohlkugeln verfülltem Epoxidharz. Die Dicke
des Schwingbodens beträgt
Lambda/4. Der Topf hat auf der äußeren Bodenseite
umlaufend eine Phase von vorzugsweise 45°, die in ihrer Größe so gewählt ist,
die Stirnseite etwa den gleichen Durchmesser wie die Piezoscheibe
erhält.
Der Topfinnenraum wird mit einem Dämpfungsmaterial 42 gefüllt (Wellensumpf).
Der Schwingkörper
wird in einem weichen Material, wie z. B. PU-Schaum, gelagert. Der
Impuls-Ultraschallwandler wird bündig
in den PU-Schaum eingegossen, so dass nur die schallabstrahlende
Fläche
herausragt. Läßt man den
Schwingkörper
geringfügig
weiter aus den PU-Schaum herausstehen, z. B. bis zum Ansatz der umlaufenden
Fase 44, kann man hierdurch vorteilhafterweise das Übertragungsmaß noch etwas
erhöhen.
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Dieser
Ultraschallwandler ist breitbandig und hat somit günstigere
Ein- und Ausschwingzeiten. Für den
Einsatz im Luftfederbalg 22 wurde ein Ultraschallwandler
aufgebaut, der eine typische Ultraschallfrequenz von 320 kHz und
einen Nahbereich von nur noch 30 mm aufweist. Ein Ultraschallsensor 30,
ausgerüstet
mit diesem Ultraschallwandler kann bündig in die obere Platte eingebaut
werden. Mit 30 mm Nahbereich wird der Kolben bzw. der Puffer auch noch
sicher erkannt, wenn die Platte auf dem Puffer aufliegt.
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Praktische
Versuche haben gezeigt, dass je nach Aufbau der Ventile und der
Einführungsstutzen beim
Ein- und Auslassen der Luft ein ”Pfeifen” auftritt, wodurch ein Ultraschallrauschen
erzeugt wird. Insbesondere ist das Öffnen eines Ventils sehr kritisch.
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Erfindungsgemäß ist eine
dem Ultraschallwandler 2, 3 nachgeschaltete Signalverarbeitungsschaltung
mit einer Rauschpegelerkennungsschaltung ausgestattet (5).
Diese Rauschpegelerkennungsschaltung sorgt dafür, dass die Empfindlichkeit des
Analogverstärkers
zurückgenommen
wird, wenn die Echosignale von Rauschsignalen überlagert werden. Dies kann
durch zwei Maßnahmen
erreicht werden, die entweder einzeln oder in Kombination angewandt
werden:
Über
eine Tiefpaßschaltung 9 wird
aus dem über
den Gleichrichter 7 gleichgerichteten Empfangssignal der zeitliche
Mittelwert gebildet. Dieses quasi Gleichspannungssignal wird auf
den Wechselspannungsverstärker 4 zurückgekoppelt,
so dass bei einem Anstieg des zeitlichen Mittelwerts die Verstärkung des Wechselspannungsverstärker zurückgenommen wird.
Der Aufbau derartiger Filter und Verstärker ist hinlänglich bekannt
und kann u. a. in dem Standardwerk „Halbleiterschaltungstechnik” von U.
Tietze und Ch. Schenk, Springer Verlag nachgelesen werden. Empfängt der
Ultraschallwandler ein lang anhaltendes Rauschsignal, z. B. hervorgerufen
durch das Öffnen
eines der Luftventile, steigt die Ausgansgsspannung nach dem Tiefpaßfilter
an und regelt den Wechselspannungsverstärker zurück.
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Aus
dem verstärkten
Echosignal wird in der letzten Stufe über einen Komparator 7 eine Ein-Bit-Information
gewonnen, Diese Ein-Bit-Information enthält die Information darüber, ob
ein Echo erfaßt
wurde, und wird von einer Logik- bzw. Steuerschaltung 5 weiterverarbeitet.
Die ausgekoppelte Regelspannung wird auf eine Vergleichsspannung
des Komparators gegeben. Bei einem großen Rauschpegel verschiebt
die über
der Tiefpaßschaltung
gewonnene Regelspannung die Vergleichspannung nach oben; ein Echosignal
muß, um
erfaßt
zu werden, über
diese schwimmende bzw. variable Triggerschwelle kommen.
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Wird
jedoch z. B. das Ventil mitten im Meßzyklus geöffnet, kann, dieser Störimpuls
nicht von der Regelschaltung sofort ausgeglichen werden. Erfindungsgemäß filtert
die Logikschaltung diese erstmaligen und auch etwaig einmalige,
sporadische Störgeräusche aus,
in dem nicht jede Messung einzeln, sondern mehrere Messungen ausgewertet
werden. Die einfachste Filtervariante besteht aus einem 2 aus 3
Vergleicher, d. h. von 3 hintereinander durchgeführten Messungen müssen wenigstens
2 Meßwerte
in einem engen Toleranzbereich zusammenliegen (9).
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Erfindungsgemäß wird der
Einfluß der
Temperatur auf die Schallgeschwindigkeit durch eine in den Ultraschallsensor 30 integrierte
Temperaturmeßstelle 10 realisiert.
Zur Messung der Temperatur eignen sich Infrarot-Strahlungsmesser,
Thermoelemente, Thermistoren (NTC und PTC-Widerstände). Auch kann
zur Temperaturmessung die Temperaturabhängigkeit einer pn-Sperrschicht
genutzt werden.
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Aufgrund
ihres günstigen
Preises und der einfachen Auswerteschaltungen sind besonders Thermistoren
zur Temperaturmessung geeignet.
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Der
Temperaturfühler
wird vorzugsweise im Ultraschallsensor in der Nähe des Ultraschallwandlers
angeordnet. Bevorzugt kann ein Thermistor zusätzlich in dem PU-Schaum des
Ultraschallwandlers eingebettet werden.
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Der
Temperaturmeßwert
wird von der Steuerlogik, die bevorzugt durch einen Mikrocontroller realisiert
wird, eingelesen und weiterverarbeitet.
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Erfindungsgemäß wird das über eine
sehr große
Zeitkonstante integrierte Temperatursignal zur Kompensation der
statischen Außentemperatur
genutzt. Mit dem stark gedämpften
Temperatursignal werden – vereinfacht
ausgedrückt – die Sommer-Winter
Außentemperaturen
kompensiert. Hier ist typischerweise ein Temperaturbereich von –40°C bis +85°C zu erfassen.
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Neben
der Umgebungstemperatur sind auch die differenziellen Temperaturänderungen,
hervorgerufen durch die Kompression und Dekompression der Luft im
Luftfederbalg zu kompensieren. Da eine Temperaturmessung in der
Luft über
einen Temperaturfühler
generell mit sehr großen
Zeitkonstanten verbunden ist, kann der Temperaturfühler den
schnellen Temperaturgradienten nicht linear folgen.
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Ein
plötzlicher
Druckanstieg auf das Öffnen des
Ventils und Zuführen
von Druckluft führt
zu einem starken positiven Temperatursprung. Durch einen internen
Ausgleichsvorgang in dem Luftfederbalg kehrt die Temperatur zurück zu ihrem
Ausgangswert (abgesehen von geringfügigen internen, nicht umkehrbaren
Erwärmungen
in den Luftfederbalg). Der Temperaturfühler ist im Bereich des Ultraschallwandlers angeordnet
und kann diesen Temperatursprüngen nur
sehr langsam folgen. Differenziert man das Temperatursignal nach
der Zeit, kann man die differenziellen Temperatursprünge hinreichend
genau kompensieren bzw. erfassen.
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Erfindungsgemäß wird in
der nachgeschalteten Auswertung das Temperatursignal nach der Zeit differenziert.
Praktische Versuche haben gezeigt, dass schnelle Temperaturänderungen
mit einer kurzen Verzögerungszeit
auf den Temperaturfühler durchschlagen.
Es wurden Kennlinien aufgenommen, die den Zusammenhang zwischen
der tatsächlichen
Temperaturänderung
und der an und von dem Temperaturfühler gemessenen Temperaturänderung darstellen
(10). Die nachgeschaltete Auswerteschaltung nimmt
nun bei einer geringen Änderung
an dem Temperaturfühler
eine deutlich höhere
Temperaturänderung
der Luft an und ”überkompensiert” den von
dem Temperaturfühler
gemessenen Temperaturmeßwert,
d. h. die Auswerteschaltung schließt von der von dem Temperaturfühler Über eine
bestimmte Zeit gemessenen Temperaturänderung auf die tatsächliche
Temperaturänderung.
Da sich die Luftdruckänderungen
im Luftfederbalg immer wieder ausgeglichen, reicht diese differenzielle
Kompensation der Temperaturänderungen
aus, um die Temperatursprünge
von bis zu 55°C
hinreichen genau zu kompensieren.
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Es
ist bekannt, dass man die Temperaturabhängigkeit einer Echolaufzeitmessung
auch mit einem sogenannten Referenzreflektor kompensieren kann.
Ein Referenzreflektor kann z. B. als schmaler Drahtbügel ausgebildet
sein, der vor dem Ultraschallwandler 2, 3 im Zentralstrahl
angeordnet ist. Der Drahtbügel
muß dabei
außerhalb
des Nahbereichs des verwendeten Ultraschallwandlers liegen. Mit
jeder Messung wird die Laufzeit zu dem Drahtbügel und die Laufzeit zu dem
Kolben bzw. zu dem Puffer gemessen. Da die Entfernung zu dem Referenzreflektor
bzw. zu dem Drahtbügel
immer konstant ist, kann der Laufzeitwert zu dem Kolben auf den
Laufzeitwert zu dem Drahtbügel
normiert werden. Damit der Drahtbügel nicht störend in
den Luftfederbalg hineinragt, wird, der Ultraschallsensor 30 in
einem Dom 32 montiert. Der Dom hat jetzt eine Höhe, die geringfügig größer als
der Nahbereich des Ultraschallwandlers ist. Am unteren Ende, also
an der Schallaustrittsöffnung
des Doms wird der Referenzbügel
quer Über
die Öffnung
gelegt.
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Nachteilig
bei dieser Ausführungsform
ist es, dass einerseits die Empfindlichkeit des Ultraschallsensors
möglichst
gering sein sollte, um keine Störreflektionen
aus dem Dom zu empfangen, andererseits jedoch ein schmaler Drahtbügel in nahezu
gleicher Entfernung erkannt werden soll. Bei dieser Anordnung sind
Mehrfachreflexionen kaum zu vermeiden. Das vom Drahtbügel ausgehende
Echo wird nämlich
an dem Ultraschallwandler selber wieder reflektiert und läuft zurück zum Drahtbügel. Dort
wird es wieder reflektiert und gelangt wiederum zum Ultraschallwandler.
Es tritt somit eine unbestimmte Anzahl von Mehrfachreflexionen auf.
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Erfindungsgemäß kann ein
Referenzreflektor vorteilhaft in einem konisch oder vorzugweise
parabolisch nach außen
sich verjüngenden
Dom 32 realisiert werden (6), wenn
auf der Innenseite des Doms in dem unteren Bereich eine kleine Reflektornase 34 angebracht
wird. Diese Reflektornase liegt nicht mehr direkt im Zentralstrahl
des Schallfelds. Die Reflektionsfläche der Reflektornase ist senkrecht
zu der Strahlkomponente ausgerichtet. Eine Echoreflektion, die jetzt
zum Wandler zurückläuft, dort
empfangen und gleichzeitig wieder reflektiert wird, gelangt nun
nicht wieder zurück
zum Referenzreflektor bzw. zur Reflektornase, sondern tritt auf Innenseite
des Doms aus.
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Sehr
häufig
sind die Radaufhängungen
an einem Fahrzeugaufbau 77 mit einer in einem Drehpunkt 78 gelagerten
Schwinge 79 realisiert (7). Der
untere Kolben 26, 71 bewegt sich dann über den Hub
der Luftfeder auf einer Kreisbahn. Erfindungsgemäß wird die dem Ultraschallsensor 30, 74 zugewandte
Seite des Kolbens 26, 71 bzw. des Puffers 27,
d. h. das zweite Ende des Luftfederbalgs 22, 72, kugelförmig ausgestaltet,
wobei der Radius der Kugel so gewählt wird, dass in jeder Hubposition
eine Strahlkomponente des Schallfelds senkrecht auf die Oberfläche des
kugelförmig
ausgebildeten Kolbens 26, 71 oder Puffers 27 auftritt.
Wenn eine Strahlkomponente im rechten Winkel auf das Segment der
Kugeloberfläche
auftrifft, verläuft
die Strahlkomponente auch durch den Ursprung der Kugel. Hier sind
empirisch der optimale Einbauort des Ultraschallsensors in der oberen
Platte bzw. in dem ersten Ende des Luftfederbalgs und der Radius
der Kugeloberfläche des
Kolbens oder Puffers zu ermitteln. Die Bezugszeichen 75 stehen
für Lufteinlaßventil, 73 für Luftauslaßventil
und 76 für
obere Befestigungsplatte.
