DE3434660C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Regeleinrichtung für den Strömungsmitteldruck einer Gasfeder unter Verwendung von elektrischen Einrichtungen, umfassend einen elektrischen Sensor zur Erfassung des mittleren Strömungsmitteldruckes PM sowie mindestens ein mit einem Hilfsantrieb versehenes Ein- und Auslaßventil, wobei der Hilfsantrieb durch den Sensor betätigbar ist.

Eine solche Regeleinrichtung ist aus der GB-PS 10 98 507 bekannt. Hilfsantrieb und Sensor sind dabei so verbunden, daß sich eine Niveauregulierung ergibt, d. h. eine Konstant­ haltung der durch die Gasfeder aufeinander abgestützten Elemente hinsichtlich ihrer gegenseitigen Zuordnung. Abweichungen von dem vorgegebenen Niveau werden dement­ sprechend durch eine Erhöhung bzw. Erniedrigung des Druckes im pneumatischen Teil der Gasfeder kompensiert, d. h., eines durch die hohe Beladung eines von der Feder abgestützten KFZ verursachte Einfederung wird durch eine Erhöhung des Druckes im pneumatischen Teil der Gasfeder kompensiert. Die Federung als solche erfährt dadurch indessen eine Veränderung, was sich nachteilig auf die Isolierung hochfrequenter Schwingungen auswirkt. Auch schließt es die fortlaufende Mittelwertbildung aus den betriebsbedingt auftretenden Druckveränderungen im pneumatischen Teil der Luftfeder aus, die Druckverände­ rungen als solche zu verhindern.

Die DE-AS 12 82 475 nimmt Bezug auf eine Luftfederanlage mit pneumatischer Dämpfung, bei der die eigentliche Luftfeder durch ein doppelt wirkendes Ventil mit einem Ausgleichsraum verbunden ist. Das Ventil wird durch schwingungsverursachte Differenzdrücke zwischen der Luftfeder und dem Ausgleichsraum betätigt, wobei die Öffnungsweise des Ventils von der Amplitude des jewei­ ligen Differenzdruckes abhängig ist. Hierdurch entsteht ein Drosseleffekt, was zu einer gewissen Kompensation des Über- oder Unterdruckes in der Luftfeder führt. Die auf diese Weise erzielte Dämpfung ist indessen unbefriedigend und beeinträchtigt die Erzielung einer guten Isolier­ wirkung bei Einleitung hochfrequenter Schwingungen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Regeleinrichtung für den Strömungsmitteldruck einer Gasfeder der eingangs genannten Art derart weiter zu entwickeln, daß eine bessere Isolierung von Schwingungen einer hohen Frequenz erzielt wird, als mit einer passiven Gasdruck­ feder erreichbar, sowie eine bessere Dämpfung von Schwin­ gungen im Resonanzbereich, als mit den bisher zur Verfü­ gung stehenden, Druckänderungen aktiv kompensierenden Gasdruckfedern erreichbar. Die Gasfeder soll es darüber hinaus erlauben, die Federungscharakteristik gezielt zu modifizieren, beispielsweise in Anpassung an die vorher­ sehbaren Besonderheiten, die sich aus einer Verwendung in einem Kraftfahrzeug ergeben.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Gasfeder der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß der Sensor für die amplituden- und phasenrichtige Erfassung von den mittleren Druck PM überlagernden, anregungsbedingten Druckänderungen in dem Bereich von höchstens 0,5 Hz bis mind. 10 Hz ausgestaltet und derart mit dem Hilfsantrieb verbunden ist, daß sich eine Kompensation der Druckände­ rungen ergibt. Der Sensor und der Hilfsantrieb des Ein- Auslaßventiles sind somit bei der erfindungsgemäßen Gasfeder, verglichen mit der eingangs beschriebenen Ausführung nach der GB-PS 10 89 507 in einer umgekehrten Weise verbunden. Hierdurch sowie durch die Beschränkung der Wirksamkeit auf den Bereich eingeleiteter Schwin­ gungen von höchstens 0,5 Hz bis mindestens 10 Hz gelingt es, diese in einer ausgezeichneten Weise zu kompensieren.

Schwingungen führen in der erfindungsgemäßen Gasfeder ebenso wie in den Ausführungen nach dem Stande der Technik zum Auftreten von Druckabweichungen vom Mittel­ druck PM. Diese Abweichungen werden indessen im gesamten Frequenzbereich durch phasenrichtige Betätigung des Ein- bzw. Auslaßventiles kompensiert, wodurch sie von kaum wahrnehmbarer Amplitude bleiben und eine nennenswerte Veränderung der Fundamentkräfte nicht bewirken.

Als Sensoren kommen alle üblichen elektrischen Druckauf­ nehmer oder Druckaufnehmeranordnungen in Betracht. Dies sind u. a.:

• - Folien oder Kristalle mit piezoelektrischen Eigen­ schaften, die auf elastische oder feste Unterlagen montiert und mit Druck beaufschlagt proportionale Ladungsänderungen erfahren bzw. Spannungen induzieren.
• - Dehnungsmeßstreifen, auf elastische Unterlagen mon­ tiert und als Differenzdruckmesser auf der einen Seite mit dem mittleren Hohlrauminnendruck, auf der anderen Seite mit aktuellen Hohlrauminnendruck beaufschlagt, die mit einer Versorgungsspannung versehen, druckpro­ portionale Spannungsänderungen anzeigen.
• - Dehnungsmeßstreifen auf elastischer Unterlage, die auf der einen Seite mit dem aktuellen Hohlrauminnendruck, auf der anderen Seite hingegen mit einem konstanten Druck oder Vakuum beaufschlagt sind und eine konstante Versorgungsspannung proportional zu dem sich ändernden Druck im Hohlraum in eine entsprechend geänderte Aus­ gangsspannung zu ändern vermögen.

Als Sensor gelangt bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Gasfeder bevorzugt eine Folie mit piezoelektrischen Eigen­ schaften zur Anwendung, die auf einem flexiblen bzw. elasti­ schen Flächengebilde abgestützt ist. Dabei wird insbesondere der Effekt genutzt, daß positive oder negative Druckverände­ rungen im Innenraum der Gasfeder zum Aufbau proportionaler Spannungen zwischen der vorderen und der rückwärtigen Deck­ fläche des piezoelektrischen Sensors führen, die der Richtung der Druckänderung in korrekter Weise zugeordnet sind. Dieser Sensor erfüllt die gestellten Anforderungen in ausgezeichneter Weise und ist kostengünstig verfügbar, weshalb ihm hier der Vorzug gegeben wurde.

Piezoelektrische Materialien mit planparallelen Oberflächen, insbesondere Folien, weisen eine überwiegend kristalline und polarisierte innere Molekularstruktur auf und in diese Struk­ tur eingeleitete Zug- bzw. Druckkräfte führen zu einer De­ formation der Kristallite und damit zu einer Störung des inneren elektrischen Gleichgewichtes.

Diese Störung kann zwischen den Deckflächen des Flächenge­ bildes in Form eines Spannungsimpulses gemessen werden, wenn man auf die Deckflächen elektrisch leitende Schichten auf­ bringt, beispielsweise in Gestalt einer Metallbedampfung. Die Richtung des Spannungsimpulses ist abhängig davon, ob eine Zug- oder eine Druckbeanspruchung (Drucksteigerung- Druckabsenkung) auf das Flächengebilde ausgeübt worden ist. Seine Höhe ist abhängig von dem Umfang der eingetretenen Verformung, die Abklingzeit vom Nachlassen der Verformung, von der elektrischen Kapazität des zur Anwendung gelangenden, piezoelektrischen Sensors sowie der Größe des elektrischen Widerstandes der Materialien zwischen den Deckschichten. Druckveränderungen im Innenraum einer Gasfeder von 0,1 Hz bis zu mindestens 20 Hz, die eine Größe von wenigstens 0,01 bar erreichen, können richtig erfaßt werden. Der überwiegende Teil aller in eine Kfz-Federung eingeleiteten Schwingungen wird hiervon erfaßt. Sie lassen sich unter Verwendung der erfindungsgemäß vorgeschlage­ nen Gasfeder in einer unvorhergesehenen und bisher nicht erreichten Weise kompensieren.

Für die Betätigung des Hilfsantriebes des Ein- und des Auslaßventils ist zweckmäßigerweise ein Ladungs-Spannungs­ verstärker vorgesehen. Dieser kann gegebenenfalls auch einen Regler zur modifizierten Betätigung des Hilfsan­ triebes aufweisen, beispielsweise einen Phasenschieber und/oder einen Amplitudenvervielfältiger.

Zweckmäßigerweise sind derartige Hilfseinrichtungen eben­ falls durch einen Hilfssensor betätigbar, beispielsweise einen Hilfssensor, der einem Niveau-, Geschwindigkeits-, Lenkungs- und/oder Bremskraftmeßgerät zugeordnet ist. Die Federungscharakteristik der vorgeschlagenen Gasfeder kann hierdurch automatisch an die Erfordernisse bestimmter Be­ triebszustände eines Kraftfahrzeuges angepaßt werden.

Im Hinblick auf die Erzielung einer guten Ansprechempfind­ lichkeit hat es sich als zweckmäßig erwiesen, wenn der Sensor mit piezoelektrischen Eigenschaften aus einer Folie aus Poly­ vinylidenfluorid oder einem Copolymeren besteht, die zur Betätigung der Hilfsantriebe auf den einander gegenüber­ liegenden Deckflächen mit elektrisch leitenden Schichten versehen ist. Die Dicke der Folie soll möglichst 5 bis 500 µm betragen, während die Schichten aus aufgedampftem Aluminium bestehen können.

Der von einer solchen piezoelektrischen Folie erzeugte Span­ nungsimpuls ist insbesondere abhängig von dem durch die Druckänderung verursachten Verformungsgrad. Es hat sich unter diesem Gesichtspunkt als zweckmäßig erwiesen, wenn die Folie auf der von dem Innenraum der Gasfeder abgewandten Seite an einer Schicht aus nachgiebigem Material anliegt. Die Folie kann in einem solchen Falle auch entlang des Randes gegenüber dem Innenraum abgedichtet sein.

Das Ein- und Auslaßventil können in einem Ventilblock zusammengefaßt und mit einem gemeinsamen Hilfsantrieb ver­ sehen sein. Die Ausführung wird den üblichen technischen Anforderungen gerecht und läßt sich besonders kostengünstig fertigen.

Wesentlich höhere Schaltfrequenzen lassen sich demgegenüber erzielen, wenn das Ein- und das Auslaßventil mit separaten Hilfsantrieben versehen sind. Insbesondere in bezug auf die Erzielung guter Isoliereigenschaften ist eine solche Aus­ führung von großem Vorteil.

Die Ventile können im einfachsten Falle digital geschaltet sein, was sich jedoch in bezug auf die Erzielung guter Iso­ liereigenschaften als wenig befriedigend erwiesen hat. Pro­ portional verstellbaren Ausführungen wird daher im Rahmen der vorliegenden Erfindung der Vorzug gegeben.

Störkräfte, hervorgerufen durch mögliche Änderung der gefederten Masse, des Versorgungsdruckes, bzw. des Anrege­ frequenzspektrums, können zu einer Lageänderung der ge­ federten Masse führen. Langsame statische Abweichungen (z. B. solche einer Frequenz kleiner als 0,1 Hz) vom elektr. eingestellten Höhenniveau der Masse, werden von einem elektrischen Wegsensor (z. B. Potentiometer mit nach­ geschaltetem Tiefpaßfilter) erfaßt und durch analoges Verändern der Ein- und Ausgangsquerschnitte oder Öffnungs­ zeiten weitgehend kompensiert. Je nach Einsatzbedingungen kann das vorgegebene Niveau mit einer Abweichung von nicht mehr als ±3 mm gehalten werden.

Die mit der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Gasfeder erzielbaren Vorteile bestehen vor allem darin, daß diese weitgehend unabhängig von Änderungen des Versorgungs­ druckes und der Masse bzw. des Gewichtes des abgestützten Körpers eine gute Isolierung hochfrequenter Schwingungen ebenso sicher garantiert wie eine gute Dämpfung nieder­ frequenter Schwingungen. Die vorgeschlagene Gasfeder eignet sich dadurch ausgezeichnet für die unterschied­ lichsten Anwendungen im Fahrzeugbau, beispielsweise in bezug auf die Radfederung oder die Federung von Fahr­ zeugkabinen und/oder Fahrersitzen.

In der Zeichnung ist eine bei­ spielhafte Ausführung der erfindungsgemäß vorgeschlage­ nen Gasfeder schematisch dargestellt. Sie wird nach­ folgend näher erläutert.

Das Tragteil 1 der dargestellten Gasfeder ist zwischen dem Radlenker und dem Aufbau eines Kraftfahrzeuges ange­ ordnet. Das Tragteil 1 besteht im wesentlichen aus einem oberseitig geschlossenen, zylindrischen Hohlkörper, der an der Karosserie festgelegt ist sowie aus einem Tauch­ körper von ebenfalls zylindrischer Gestalt, der in den Hohlkörper eingreift und unterseits an der abzufedernden Achse festgelegt ist. Der Hohlkörper und der Tauchkörper sind in senkrechter Richtung relativ zueinander beweglich und gegeneinander durch eine Rollmembrane abgedichtet. Die senkrechte Relativverlagerung eines der beiden Teile ist dadurch sehr leicht möglich und von keiner nennens­ werten Dämpfung begleitet.

Der von dem Hohlkörper, dem Tauchkörper und der Roll­ membran umschlossene Hohlraum ist unter Betriebsbedin­ gungen mit Luft oder einem geeigneten anderen Gas oder Gasgemisch gefüllt.

Der Druck des in dem Hohlraum enthaltenen Gases lastet vorderseitig auf einer durch einen Sensor mit piezo­ elektrischen Eigenschaften gebildeten Meßeinrichtung 2. Diese besteht im wesentlichen aus dem Gehäuse 4 aus nicht leitendem Kunststoff, dessen beide Teile die rückseitig auf der nachgiebigen Schicht 5 abgestützte und mit einer metallischen Oberflächenbedampfung ver­ sehene Folie 6 aus Polyvinylidenfluorid umschließen.

Die Folie ist kreisförmig begrenzt und randseitig beiderseits durch kreisringförmig gestaltete Ringe 7 abgedeckt, die mit Kontaktstiften 8 versehen sind. Die Kontaktstifte 8 sind durch elektrische Leiter 9, 10 mit den Magnetspulen des kombinierten Ein-Auslaßventils 3 verbunden, wobei ein zwischengeschalteter Spannungsver­ stärker 11 eine Anpassung der von der Meßeinrichtung er­ zeugten Spannungsimpulse an das für eine Betätigung der Magnetspulen erforderliche Niveau bewirkt. Das kom­ binierte Ein-Auslaßventil 3 ist mit zwei Anschlüssen versehen. Es steht einerseits durch die Leitung 12 mit dem Hohlraum in Verbindung, andererseits durch die Ver­ sorgungsleitung 13 mit einem Druckgasreservoir sowie durch die Entlüftungsleitung 14 mit der Atmosphäre. Der Wegaufnehmer 13 ist zwischen den beiden zylindrischen Hohlkörpern vom Tragteil 1 angeordnet und bewirkt eine solche Modifizierung der das Ein-Auslaßventil betätigenden Spannungen, daß sich unabhängig von der Belastung, dem Versorgungsdruck und der Frequenz eingeleiteten Schwingungen eine gleichbleibende Mittellage des relativ beweglichen Teiles ergibt.

Zur Funktion der Gasfeder ist folgendes auszuführen:

Ausgehend von einem mittleren Druck PM in dem Hohlraum sei angenommen, daß das abgestützte Rad durch Überfahren einer Bodenunebenheit zu einer Einfederung veranlaßt wird. Die Einfederung hat eine Volumenverminderung des Hohlraumes zur Folge und hieraus resultierend einen Druckanstieg in dem Hohlraum.

Die piezoelektrische Folie 6 wird hierdurch in bestimmter Weise verformt und setzt einen Spannungsimpuls frei, der nach Größe und Richtung der Art der Druckverände­ rung entspricht. Der Spannungsimpuls wird dementsprechend in der erforderlichen Weise verstärkt und zur Betätigung des Auslaßventils benutzt. Überschüssiges Druckgas kann hierdurch unter Verminderung des Druckes in dem Hohlraum entweichen, was zugleich eine Rückformung der piezoelektri­ schen Folie 6 und somit ein Abklingen des Spannungsimpulses bedingt. Ein Schließen des Auslaßventils ergibt sich als Folge hiervon automatisch.

Kommt es im Gegensatz zu dem vorstehend beschriebenen Be­ triebsbeispiel zu einer Ausfederung des abgestützten Rades, dann ist eine Druckverminderung in dem Hohlraum gegenüber dem ursprünglich vorhandenen Mitteldruck die Folge. Die piezoelektrische Folie 6 wird in diesem Falle in entgegen­ gesetzter Richtung verformt. Ein Spannungsimpuls von ent­ gegengesetzter Richtung ist hiervon die Folge. Er bewirkt eine Betätigung des Einlaßventils und damit die Nachführung von Druckgas aus dem Reservebehälter in den Hohlraum, bis das ursprünglich erreichte Niveau erreicht ist.

Der Verstärker 11 kann mit einem Regler versehen werden, der es erlaubt, das durch die Druckänderung in dem Hohlraum induzierte Signal der elektrischen Meßeinrichtung zu modifizieren in Abhängigkeit von der Höhenlage eines Kraft­ fahrzeuges, der gefahrenen Geschwindigkeit, der momentanen Lenkungseinstellung und/oder der momentan wirksamen Be­ schleunigungs- oder Bremskräfte. Die spezielle Festlegung erfolgt, abgesehen von der Niveauregulierung, zweckmäßig im Fahrversuch und führt dann zu einer spürbaren Verbesse­ rung des Fahrkomforts und der Fahrsicherheit.

Claims (13)

1. Regeleinrichtung für den Strömungsmitteldruck einer Gasfeder unter Verwendung von elektrischen Einrich­ tungen, umfassend einen elektrischen Sensor zur Erfassung des mittleren Strömungsmitteldruckes PM sowie mindestens ein mit einem Hilfsantrieb versehe­ nes Ein- und Auslaßventil, wobei der Hilfsantrieb durch den Sensor betätigbar ist, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Sensor für die amplituden- und phasenrichtige Erfassung von den mittleren Druck PM überlagernden, anregungsbedingten Druckänderungen in dem Bereich von höchstens 0,5 Hz bis mindestens 10 Hz ausgestaltet und derart mit dem Hilfsantrieb verbun­ den ist, daß sich eine Kompensation der Druckände­ rungen ergibt.

2. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor aus einer Folie oder einem Kristall mit piezoelektrischen Eigenschaften oder einem mit einer Spannungsquelle verbundenen, elastisch abgestützten Dehnungsmeßstreifen besteht.

3. Regeleinrichtung nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor für eine Betätigung des Hilfsantriebes mit einem Ladungs- oder Spannungsverstärker (11) ver­ sehen ist.

4. Regeleinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsverstärker (11) einen Regler zur modifi­ zierten Betätigung des Hilfsantriebes aufweist.

5. Regeleinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler zur Modifizierung der Betätigung des Hilfs­ antriebes mit einem Phasenschieber und/oder Amplitudenvervielfältiger versehen ist.

6. Regeleinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasenschieber und/oder der Amplitudenverviel­ fältiger durch mindestens einen Hilfssensor betätigbar ist.

7. Regeleinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfssensor einem Niveau-, Geschwindigkeits-, Len­ kungs- und/oder Brems- oder Beschleunigungskraftmeß­ gerät zugeordnet ist.

8. Regeleinrichtung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor aus einer piezoelektrischen Folie (6) aus Polyvinylidenfluorid oder einem Copolymeren be­ steht, die zur Betätigung des Hilfsantriebes auf den einander gegenüberliegenden Deckflächen mit elektrisch leitenden Schichten versehen ist.

9. Regeleinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Folie (6) eine Dicke von 10 bis 300 µm aufweist und daß die Schichten aus aufgedampftem Metall be­ stehen.

10. Regeleinrichtung nach Anspruch 8 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Folie (6) auf der von dem Innenraum abgewandten Seite an einer Schicht (5) aus nachgiebigem Material anliegt.

11. Regeleinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Folie (6) entlang des Randes gegenüber dem Innenraum angedichtet ist.

12. Regeleinrichtung nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Ein- und Auslaßventil (3) proportional zu den Druck­ änderungen im Innenraum betätigbar sind.

13. Regeleinrichtung nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Ein- und Auslaßventil (3) jeweils einen eigenen Hilfsantrieb haben und getrennt betätigbar sind.