DE3321510C1

DE3321510C1 - Vorrichtung zur Wegbestimmung eines Kolbens

Info

Publication number: DE3321510C1
Application number: DE19833321510
Authority: DE
Inventors: Bernd Dipl.-Ing. 5248 Wissen Moser
Original assignee: Boge GmbH
Current assignee: ZF Sachs AG
Priority date: 1983-06-15
Filing date: 1983-06-15
Publication date: 1984-10-04
Also published as: JPS604803A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Wegbestimmung eines Kolbens von hydraulischen, pneumatischen oder hydropneumatischen Aggregaten wie Schwingungsdämpfer, Gasfedern und hydropneumatischen Federungen für Fahrzeuge nach dem Rohrkondensatorprinzip, wobei der Kolben über eine Kolbenstange in einem, mit mindestens einem Dämpfungsmittel gefüllten Zylinder axial verschiebbar angeordnet ist.

Es sind Federungen bekannt (z.B. DE-OS 3212433), bei denen jede Federungseinheit eines Fahrzeuges zum Einstellen von dessen Plattformhöhe einen Sensor aufweist, der eine Ausgangsgröße erzeugt, die sich mit der Plattformhöhe progressiv verändert. Hierbei ist von Nachteil, daß zum Einstellen der Plattformhöhe, d.h. des Abstandes zwischen den gefederten und den ungefederten Fahrzeugteilen je ein Plattformhöhensensor zu jeder Federungseinheit vorgesehen ist. Eine derartige Vorrichtung ist besonders aufwendig, da die entsprechenden Meßwerte zwischen der Fahrzeugaufhängung und der eigentlichen Federung erfaßt werden muß. Diese Meßwerterfassung ist aufwendig, da an den unterschiedlichsten Fahrzeugteilen entsprechende Meßwertaufnehmer vorgesehen werden müssen.

Darüber hinaus sind Vorrichtungen zur Stellwegmessung einer Kolbenzylindereinheit bekannt (z. B. DE-AS 1299432), bei der im Kolbeninnenraum Spulen und ein Spulenkern zur induktiven Wegmessung vorgesehen ist. Hierbei ist von Nachteil, daß ein entsprechend großer Einbauraum zur Verfügung sein muß, um ein solches System in einem Schwingungsdämpfer eines Fahrzeuges unterzubringen. Vom Funktionsprinzip läßt sich ein induktives System nicht beliebig verkleinern, da eine Mindestanzahl von Wicklungen notwendig ist.

Kapazitive Meßsysteme sind ebenfalls bekannt (z.B. US-PS 3805150), bei denen in einer Kolbenzylindereinheit bestimmte Bauteile als Plattenkondensator ausgebildet werden. Nachteilig ist, daß aufgrund der ungünstigen Geometrie eine einfache Integration in das Schwingungsdämpfungssystem einer Fahrzeugfederung nicht ohne weiteres möglich ist, denn der zur Verfügung stehende Einbauraum des Meßsystems wird nicht nur durch das Aggregat selbst, sondern auch durch die Einbauverhältnisse der Radaufhängung des Fahrzeuges bestimmt.

Darüber hinaus wurden Meßeinrichtungen aus Kondensatoren und elektronischen Mitteln vorgeschlagen

ίο (z. B. US-PS 42 06401). Diese Vorrichtungen dienen ganz allgemein der Längenmessung, wobei in dieser Konstruktion die Vorteile eines einfachen kapazitiven Systems mit den meßtechnischen Vorteilen des differenziellen kapazitiven Systems verbunden wurden. Hierzu ist einerseits ein Meßkondensator, dessen Kapazität durch die zu messende Verschiebung linear verändert wird, an eine Referenzwechselspannung angeschlossen und andererseits ist ein Referenzkondensator mit gleichem Dielektrikum an eine Wechselspannung gleicher Frequenz und entgegengesetzter Phase angeschlossen. Dabei lassen sich die Amplituden der Meßwechselspannung durch elektronische Mittel so variieren, daß die auf einer, beiden Kondensatoren gemeinsamen Elektrode induzierte Wechselspannung zu 0 wird. Eine derartige Meßeinrichtung ist besonders aufwendig und eine Anwendung beispielsweise in einem hydraulischen, pneumatischen oder hydropneumatischen Aggregat ist kaum ausführbar.
Darüber hinaus sind Meßvorrichtungen zur Messung einer Schichtdicke bekannt (z.B. GB-PS 2106651), bei der über einen Sensor die unterschiedliche auf den Kolben aufgetragene Schichtdicke gemessen wird, so daß über dieses Verfahren die Kolbenstellung ermittelt werden kann. Vorrichtungen dieser Art sind in Fahrzeugfederungen nicht ohne weiteres einsetzbar.

Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, ein Meßverfahren für den Kolbenweg zu schaffen, welches berührungslos und mit hoher Zuverlässigkeit arbeitet, wobei eine Integration in die Federung eines Fahrzeuges ohne große Veränderungen, bei geringen Abmessungen erfolgen kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß eine erste axial verschiebbare Elektrode durch den Kolben und/oder der hohlen Kolbenstange gebildet wird und eine zweite isoliert angeordnete Elektrode ortsfest im Zylinder gehalten ist und daß die erste und zweite Elektrode durch das als Dielektrikum wirkende Dämpfungsmittel voneinander getrennt und gegeneinander teleskopartig verschiebbar sind und die Kapazität zwischen beiden Elektroden gemessen wird.

Bei dieser Lösung ist von Vorteil, daß durch das berührungslos arbeitende physikalische Meßverfahren ein kompakter Meßsystemaufbau möglich ist, so daß das Meßsystem ohne große Veränderungen z.B. in einen Schwingungsdämpfer, eine Gasfeder oder eine hydropneumatische Federung integriert werden kann. Vorteilhaft ist darüber hinaus die kostengünstige Fertigung sowie eine Fahrzeugfederung, die zusammen mit der Vorrichtung zur Wegbestimmung als abgeschlossenes einheitliches System geschaffen werden kann.

Dabei weist sich die Integration der Meßvorrichtung in einen hydropneumatischen Schwingungsdämpfer als besonders günstig, so daß mit einer geringfügigen Modifikation ein Zylinderkondensator geschaffen werden

kann, indem der mit Öl gefüllte Zylinder und der hohlen Kolbenstange ein zusätzlicher Hohlzylinder, welcher in einer Isolationsmasse am Zylinderboden aufgenommen ist, zugeordnet wird. Es entsteht ein Zylinderkondensator,

welcher durch die variable Oberflächenänderung eine Kapazitätsänderung erzeugt, so daß der Meßwert als physikalische Größe in Form einer Kapazitätsänderung erhalten wird. Diese kapazitive Kolbenwegmessung erfolgt durch den Zylinderkondensator in der Form, daß

2π χ E₀ χ E_r χ L

Zylinder

ergibt.

20

Dabei ist

E₀ = die Elektrizitätskonstante
E_r =die relative Elektrizitätskonstante
In = natürlicher Logarithmus
r₂ = Radius der Kolbenstangenbohrung
r, = Radius des am Zylinderkopf befestigten Hohlzylinders

π =3,14159
L = Kolbenweglänge

Die Funktion ergibt sich dadurch, daß die bewegliche Kolbenstange über den am Zylinderboden isoliert befestigten Hohlzylinder verschoben wird. Dabei erfolgt eine Variation der Zylinderoberflächen und damit eine Variation der Kapazität in Abhängigkeit vom Kolbenweg. Es ist einerseits die hohle Kolbenstange und andererseits das im Zylinderboden fixierte Rohr als Elektrode ausgebildet.

Zur Erzeugung eines entsprechenden elektrischen Meßwertes, der beispielsweise zur Steuerung der Niveauhöhe eines Fahrzeuges herangezogen werden kann, ist nach einer weiteren Ausführungsform vorgesehen, daß die Elektroden des Rohrkondensators mit einer kapazitiven Meßbrücke verbunden sind und über einen Verstärker eine entsprechende elektrische Größe erzeugen.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele nach der Erfindung sind in der Zeichnung schematisch dargestellt.
Es zeigt:

Fig. 1 einen Schwingungsdämpfer im Schnitt, bei dem die hohle Kolbenstange zusammen mit einem Hohlzylinder einen Kondensator bildet

Fig. 2 einen Zylinderkondensator schematisch im Schnitt

Fig. 3 ein Kolbenweg/Kapazitäts-Diagramm für Zylinderkondensator

Der in Fig. 1 dargestellte Schwingungsdämpfer besteht im wesentlichen aus dem Zylinder 1, dem Kolben 2 sowie der Kolbenstange 3. Im Hohlraum 4 des Zylinders 1 befindet sich das der Schwingungsdämpfung dienende Dämpfungsmedium. Zur Befestigung des Schwingungsdämpfers im Fahrzeug sind Befestigungsvorrichtungen 5 und 6 vorgesehen. Die hohl ausgebildete Kolbenstange 3 läßt sich teleskopartig über einem Rohr 7 verschieben, wobei das Rohr 7 im Zylinder in einer Isolationsmasse 8 fixiert und gegenüber den übrigen Bauteilendes Schwingungsdämpfers isoliert ist. Die hohle Kolbenstange 3 und das Rohr 7 bilden zusammen den Zylinderkondensator, wobei das im Hohlraum 4 befindliche Dämpfungsmedium als Dielektrikum für den Kondensator arbeitet. Die hohle Kolbenstange 3 bildet die so erste Elektrode und ist über die Zuleitung 9, und das Rohr 7 bildet die zweite ortsfeste Elektrode und ist über die Zuleitung 10 im Anschluß an einen entsprechenden Meßwertaufnehmer vorbereitet.

Die Steilheit der Kapazitätsänderung ist abhängig vom Abstand zwischen Außenfläche des Rohres 7 und der Innenfläche der hohlen Kolbenstange 3 und dem sich dazwischen befindlichen Medium. Die hohle Kolbenstange ist koaxial im Abstand zum Rohr 7 angeordnet und der durch beide gebildete Zwischenraum nimmt das Dielektrikum auf.

In Fig. 2 ist ein Zylinderkondensator schematisch dargestellt, wobei die Elektrode 1 die hohle Kolbenstange darstellt und die Elektrode 2 das Rohr 7. Es stellt dabei der Abstand 11 die minimale Überdeckung und der Abstand 12 die maximale Überdeckung der beiden Oberflächen dar, die damit eine minimale bzw. maximale Kapazität erzeugen, welche entsprechend umgeformt den augenblicklichen Kolbenweg, d.h. die Position des Kolbens im Zylinder aufzeigen. Zuleitung 9 und Zuleitung 10 dienen z. B. zum Anschluß an eine kapazitive Meßbrücke.

Fig. 3 zeigt ein Diagramm, bei dem die Kapazität für einen derartigen Zylinderkondensator über den Kolbenweg aufgetragen ist. Dabei erfolgt die Kapazitätsänderung proportional dem Kolbenweg und die Steilheit der Meßkurve ist dabei abhängig vom Verhältnis des Innenradius der Kolbenstangenbohrung zum Außenradius des eintauchenden Rohres 7 und der relativen Dielektrizitätskonstanten E_R.

Die relative Dielektrizitätskonstante E_R wird durch das entsprechende Dämpfungsmedium vorgegeben.
Bezugszeichenliste

1 — Zylinder

2 — Kolben

3 — Kolbenstange

4 — Hohlraum

5 — Befestigungsvorrichtung

6 — Befestigungsvorrichtung

7 — Rohr "■

8 — Isolationsmasse

9 — Zuleitung
10 — Zuleitung

11 — minimale Überdeckung

12 — maximale Überdeckung

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Wegbestimmung eines Kolbens von hydraulischen, pneumatischen oder hydropneumatischen Aggregaten wie Schwingungsdämpfer, Gasfedern und hydropneumatischen Federungen für Fahrzeuge nach dem Rohrkondensatorprinzip, wobei der Kolben über eine Kolbenstange mit einem, mit mindestens einem Dämpfungsmittel gefüllten Zylinder axial verschiebbar angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste axial verschiebbare Elektrode durch den Kolben (2) und/oder der hohlen Kolbenstange (3) gebildet wird und eine zweite isoliert angeordnete Elektrode ortsfest im Zylinder (1) gehalten ist und daß die erste und zweite Elektrode durch das als Dielektrikum wirkende Dämpfungsmittel voneinander getrennt und gegeneinander teleskopartig verschiebbar sind und die Kapazität zwischen beiden Elektroden gemessen wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden des Rohrkondensators mit einer kapazitiven Meßbrücke verbunden sind und über einen Verstärker entsprechende elektrische Größen erzeugen.