DE3918185A1 - Wegmesssystem - Google Patents

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Wegmeßsystem zum Erfassen einer Stell­ position eines Körpers relativ zu einem anderen Körper nach der Gat­ tung des Hauptanspruchs. Es ist bereits ein Wegmeßsystem bekannt, bei dem der eine Teil des Wegmeßsystems mit einem der Körper und ein anderer Teil des Wegmeßsystems mit dem anderen Körper verbunden sind und mit dem die Stellposition des einen Körpers gegenüber dem ande­ ren Körper gemessen werden kann.

Das bekannte Wegmeßsystem funktioniert nach dem sogenannten Trans­ formatorprinzip. An einer ersten Spule liegt eine Speisespannung an. Eine in einer zweiten Spule induzierte Meßspannung kann gemessen und zur Anzeige gebracht oder sonstwie ausgewertet werden. Die beiden Spulen sind mit einem Körper verbunden. Ein mit einem anderen Körper verbundener weichmagnetischer Kern wird zwischen diesen beiden Spu­ len verschoben. Je nach Lage der beiden Körper zueinander ist die elektromagnetische Kopplung der beiden Spulen verschieden und damit auch die Meßspannung in der zweiten Spule. Die Meßspannung in der zweiten Spule ist ein Maß für die Stellposition des einen Körpers gegenüber dem anderen Körper.

Bei dem bekannten Wegmeßsystem muß der weichmagnetische Kern des ei­ nen Körpers ziemlich dicht an den Spulen des anderen Körpers sein. Bei größerem Abstand ist die Kopplung der beiden Spulen ungenügend und man erhält in der zweiten Spule keine sinnvoll auswertbare Meß­ spannung.

Vorteile der Erfindung

Demgegenüber weist das mit dem kennzeichnenden Merkmal des Hauptan­ spruchs ausgestattete Wegmeßsystem den Vorteil auf, daß auch bei größerem Abstand zwischen den beiden Körpern eine einwandfreie Mes­ sung möglich ist.

Ist der eine Teil des Wegmeßsystems mit nur zwei Spulen, d.h. mit einer Speisespule und mit einer Meßspule, ausgestattet, so erhält man eine kurze Baugröße.

Umfaßt einer der Teile des Wegmeßsystems eine Speisespule und zwei Meßspulen, so erhält man ein besonders leicht auswertbares Meßsignal.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung verein­ facht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläu­ tert.

Beschreibung des Ausführungsbeispieles

Das erfindungsgemäße Wegmeßsystem läßt sich bei Einrichtungen anwen­ den, bei denen eine Stellposition eines Körpers relativ zu einem an­ deren Körper erfaßt werden soll. Je nach Stellposition des einen Körpers gegenüber dem anderen Körper erhält man ein bestimmtes Meß­ signal. Jeder Stellposition ist ein bestimmtes Meßsignal zugeordnet. Durch Auswertung dieser Meßsignale kann z.B. erfaßt werden, welchen Weg einer der Körper gegenüber dem anderen Körper zurückgelegt hat.

Obwohl nicht allein darauf beschränkt, wurde im Ausführungsbeispiel der vorliegenden Patentanmeldung für das erfindungsgemäße Wegmeßsy­ stem ein Stoßdämpfer als Anwendungsbeispiel gewählt.

Das in der Zeichnung dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt einen sogenannten Zweirohr-Stoßdämpfer. Der Zweirohr-Stoßdämpfer umfaßt im wesentlichen einen inneren Zylinder 2, einen äußeren Zylinder 4, ei­ nen Dämpferkolben 6, eine Kolbenstange 8 und eine Schutzhaube 10. Der innere Zylinder 2 hat eine erste Stirnseite 12 und eine zweite Stirnseite 14. Der äußere Zylinder 4 hat ebenfalls eine erste Stirn­ seite 16 und eine zweite Stirnseite 18. Die erste Stirnseite 12 des inneren Zylinders 2 ist mit der ersten Stirnseite 16 des äußeren Zy­ linders 4 über ein Rohrstück 19 verbunden. Auf der ersten Stirnseite 16 des äußeren Zylinders 4 ragt die Kolbenstange 8 heraus. Die Kol­ benstange 8 ragt durch die beiden ersten Stirnseiten 12, 16 der bei­ den Zylinder 2, 4 in den inneren Zylinder 2 hinein. Die Kolbenstange ist mit ihrem in dem inneren Zylinder 2 befindlichen Ende mit dem Dämpferkolben 6 verbunden. Mit einem anderen, aus dem äußeren Zylin­ der 4 herausragenden Ende ist die Kolbenstange 8 an einer ersten Masse 20 angelenkt. Die zweite Stirnseite 18 des äußeren Zylinders 4 ist mit einer zweiten Masse 22 verbunden. Die erste Masse 20 ist beispielsweise ein Fahrzeugaufbau und die zweite Masse 22 ist z.B. eine Fahrzeugachse. Der Dämpferkolben 6 kann an einer inneren Man­ telfläche 24 des inneren Zylinders 2 axial gleiten. Ein Innenraum des inneren Zylinders 2 wird durch den Dämpferkolben 6 in einen er­ sten Arbeitsraum 26 und in einen zweiten Arbeitsraum 28 unterteilt.

In der Zeichnung befindet sich der erste Arbeitsraum 26 oberhalb und der zweite Arbeitsraum 28 unterhalb des Dämpferkolbens 6. Der äußere Zylinder 4 umgibt mit Abstand den inneren Zylinder 2, so daß zwi­ schen dem äußeren Zylinder 4 und dem inneren Zylinder 2 ein Aus­ gleichsraum 30 gebildet wird. Die beiden Arbeitsräume 26, 28 und der Ausgleichsraum 30 sind zumindest teilweise mit einem Druckmedium ge­ füllt.

Die beiden Arbeitsräume 26, 28 sind über ein in dem Dämpferkolben 6 vorgesehenes erstes Ventil 32 und über ein zweites, ebenfalls in dem Dämpferkolben 6 vorgesehenes zweites Ventil 34 miteinander verbun­ den. In der zweiten Stirnseite 14 des inneren Zylinders 2 ist ein drittes Ventil 36 und ein viertes Ventil 38 angeordnet.

Beim Einfahren der Kolbenstange 8 in den inneren Zylinder 2 strömt aus dem zweiten Arbeitsraum 28 durch das erste Ventil 32 Druckmedium in den ersten Arbeitsraum 26. Dabei wird in dem zweiten Arbeitsraum 28 mehr Druckmedium verdrängt, als in den ersten Arbeitsraum 26 ein­ strömen kann. Deshalb strömt beim Einfahren der Kolbenstange 8 auch ein Teil des Druckmediums aus dem zweiten Arbeitsraum 28 durch das vierte Ventil 38 in den Ausgleichsraum 30. Beim Einfahren der Kol­ benstange 8 in den inneren Zylinder 2 sind das zweite Ventil 34 und das dritte Ventil 36 geschlossen. Das Druckmedium kann aus dem zwei­ ten Arbeitsraum 28 in den ersten Arbeitsraum 26 durch das erste Ven­ til 32 weitgehend ohne nennenswerte Androsselung hindurchströmen. Eine die Dämpfung des Stoßdämpfers bestimmende Androsselung des Druckmediums beim Einfahren der Kolbenstange 8 in den inneren Zylin­ der 2 geschieht durch Androsselung des Druckmediums durch das vierte Ventil 38.

Beim Ausfahren der Kolbenstange 8 aus dem inneren Zylinder 2 strömt Druckmedium aus dem ersten Arbeitsraum 26 durch das zweite Ventil 34 in den zweiten Arbeitsraum 28. In den zweiten Arbeitsraum 28 kann jedoch mehr Druckmedium nachströmen als aus dem ersten Arbeitsraum 26 verdrängt wird. Deshalb strömt aus dem Ausgleichsraum 30 Druckme­ dium durch das dritte Ventil 36 in den zweiten Arbeitsraum 28 nach. Das Druckmedium strömt durch das dritte Ventil 36 weitgehend unge­ drosselt. Eine die Dämpfung beim Ausfahren der Kolbenstange 8 be­ stimmende Androsselung des Druckmediums geschieht durch das zweite Ventil 34. Beim Ausfahren der Kolbenstange 8 aus dem inneren Zylin­ der 2 sind das erste Ventil 32 und das vierte Ventil 38 geschlossen.

Eine in dem Rohrstück 19 zwischen den beiden ersten Stirnseiten 12, 16 des inneren Zylinders 2 und des äußeren Zylinders 4 vorgesehene Dichtung 42 verhindert eine Leckage aus dem ersten Arbeitsraum 26 entlang eines Führungsspaltes 44 zwischen der Kolbenstange 8 und dem Rohrstück 19 nach außen. Eine Bohrung 46 verbindet einen zwischen der Dichtung 42 und dem ersten Arbeitsraum 26 liegenden Teil des Führungsspaltes mit dem Ausgleichsraum 30. Die Bohrung 46 dient zum Schutz der Dichtung 42 vor zu hohem Druck infolge Schleppströmung beim Ausfahren der Kolbenstange 8.

Die Schutzhaube 10 ist an dem mit der ersten Masse 20 verbundenen Ende der Kolbenstange 8 mit der Kolbenstange 8 verbunden. Die Schutzhaube 10 umgibt zumindest teilweise den äußeren Zylinder 4.

An einem zylindrischen Teil 48 der Schutzhaube 10 ist eine Speise­ spule 50, eine erste Meßspule 52 und eine zweite Meßspule 54 vorge­ sehen. Der zylindrische Teil 48 der Schutzhaube 10 besteht vorzugs­ weise aus Kunststoff. Die Speisespule 50 und die beiden Meßspulen 52, 54 sind in den zylindrischen Teil 48 der Schutzhaube 10 einge­ gossen. An einer äußeren Mantelfläche 56 des äußeren Zylinders 4 ist eine Kurzschlußspule 60 angeordnet. Die Kurzschlußspule 60 wird zum Schutz vor Umwelteinflüssen zumindest teilweise von einem aus Kunst­ stoff bestehenden Gehäuse 62 umgeben.

Da das zylindrische Teil 48 der Schutzhaube 10 nur einseitig mit der Kolbenstange 8 verbunden ist und wegen rauher Umwelteinflüsse, denen der Stoßdämpfer teilweise ausgesetzt ist, muß zwischen dem zylindri­ schen Teil 48 und der Kurzschlußspule 60 mit dem Gehäuse 62 ein re­ lativ großer Abstand 64 vorhanden sein.

Die Speisespule 50 ist am zylindrischen Teil 48 der Schutzhaube 10 so positioniert, daß die Speisespule 50 die Kurzschlußspule 60 bei jeder Stellung der Kolbenstange 8 umgibt. Die Speisespule 50 befin­ det sich zwischen den beiden Meßspulen 52, 54. Die erste Meßspule 52 schließt sich in axialer Richtung auf einer Seite der Speisespule 50 an und auf der in axialer Richtung gegenüberliegenden Seite der Speisespule 50 schließt sich die zweite Meßspule 54 der Speisespule 50 an. Die erste Meßspule 52 befindet sich auf der der ersten Masse 20 zugewandten Seite der Speisespule 50. Die zweite Meßspule 54 be­ findet sich auf der der zweiten Masse 22 zugewandten Seite der Spei­ sespule 50. Die erste Meßspule 52 ist zweckmäßigerweise so lang, daß sie auch bei vollständig eingefahrener Kolbenstange 8 die Kurz­ schlußspule 60 axial in Richtung der ersten Masse 20 zumindest ge­ ringfügig überragt. Die zweite Meßspule 54 ist so lang, daß sie auch bei vollständig ausgefahrener Kolbenstange die Kurzschlußspule 60 axial in Richtung der zweiten Masse 22 zumindest etwas überragt.

Die Kurzschlußspule 60 besteht hauptsächlich aus einem vorzugsweise einlagig gewickelten, mit Isoliermaterial umhüllten, elektrisch leitfähigen Material 66. Es kann gegebenenfalls auch mehrlagig ge­ wickelt sein. Das elektrisch leitfähige Material 66 ist z.B. ein isolierter Kupferdraht. Das elektrisch leitfähige Material 66 endet auf einer der ersten Masse 20 zugewandten Stirnseite der Kurzschluß­ spule 60 mit einem ersten Ende 68, und an einer der zweiten Masse 22 zugewandten Stirnseite der Kurzschlußspule 60 endet das elektrisch leitfähige Material 66 mit einem zweiten Ende 70. Das erste Ende 68 des elektrisch leitfähigen Materials 66 ist mittels eines elektrisch leitenden Teils 72 mit dem zweiten Ende 70 des elektrisch leitfähi­ gen Materials 66 verbunden. Das elektrisch leitende Teil 72 ist bei­ spielsweise ein kunststoffumhüllter Kupferdraht.

Die Speisespule 50, die erste Meßspule 52 und die zweite Meßspule 54 sind über ein Kabel 74 mit einer Elektronik 76 verbunden. Das Kabel 74 besteht aus mehreren elektrischen Leitern, wobei zu der Speise­ spule 50 und den beiden Meßspulen 52 je zwei Leiter führen. Die Elektronik 76 versorgt über das Kabel 74 die Speisespule 50 mit ei­ ner Speisespannung. Eine in der ersten Meßspule 52 induzierte erste Meßspannung kann über das Kabel 74 der Elektronik 76 zugeführt wer­ den. Eine in der zweiten Meßspule 54 induzierte zweite Meßspannung kann ebenfalls über das Kabel 74 der Elektronik 76 zugeführt werden.

Infolge der an der Speisespule 50 anstehenden Speisespannung fließt durch die Speisespule 50 ein Speisestrom. Die Speisespannung ist ei­ ne Wechselspannung mit vorzugsweise sinusförmigem Verlauf. Der Spei­ sestrom in der Speisespule 50 bewirkt ein wechselndes Magnetfeld. Dieses induziert in der Kurzschlußspule 60 eine Spannung. Diese Spannung aber ist kurzgeschlossen. Der dadurch fließende Kurzschluß­ strom strömt durch die gesamte Wicklung des elektrisch leitfähigen Materials 66 der Kurzschlußspule 60 und erzeugt über die gesamte Länge der Kurzschlußspule wiederum ein Magnetfeld. Der durch das elektrisch leitfähige Material 66 der Kurzschlußspule 60 hindurch­ fließende Strom induziert in der ersten Meßspule 52, je nach Ein­ tauchweg der Kurzschlußspule 60 in die erste Meßspule 52, eine erste Meßspannung. Der durch das elektrisch leitfähige Material 66 hin­ durchfließende Strom induziert aber auch, je nach Eintauchweg der Kurzschlußspule 60 in die zweite Meßspule 54, in der zweiten Meßspu­ le 54 eine zweite Meßspannung.

Die erste Meßspannung und die zweite Meßspannung sind ein Maß für eine Stellposition der Kurzschlußspule 60 relativ zu der Schutzhaube 10 mit der Speisespule 50 und den beiden Meßspulen 52, 54. Die erste und die zweite Meßspannung können mit Hilfe der Elektronik 76 in be­ kannter Weise ausgewertet, bei Bedarf zur Anzeige gebracht werden und/oder z.B. einem Regelkreis als Ist-Wert zugeführt werden.

Besonders vorteilhaft ist, daß die Kurzschlußspule 60 überall ange­ bracht werden kann und daß aus der Kurzschlußspule 60 keinerlei Ka­ bel oder sonstige Teile herausführen müssen. Die Kurzschlußspule 60 kann vollständig in einem Kunststoff eingegossen und dadurch optimal vor Umwelteinflüssen geschützt werden.

Die Anordnung der Speisespule 50, der beiden Meßspulen 52, 54 und der Kurzschlußspule 60 ist nur beispielhaft. Selbstverständlich könnte man auch die Kurzschlußspule 60 an der Schutzhaube 10 und die Speisespule 50 zusammen mit den beiden Meßspulen 52, 54 an der äuße­ ren Mantelfläche 56 des äußeren Zylinders 4 anordnen. Man wird je­ doch vorteilhafterweise die Spulen 50, 52, 54 so anordnen, daß eine Verbindung zwischen der Elektronik 76 und den Spulen 50, 52, 54 über das Kabel 76 einfach und problemlos möglich ist. Besonders günstig ist, daß zu der Kurzschlußspule 60 kein Kabel hingeführt werden muß. Damit kann die Kurzschlußspule vorteilhafterweise auch an Bauteilen problemlos angeordnet werden, zu denen ein Hinführen eines Kabels nicht möglich oder problematisch ist.

Die Speisespule 50, die erste Meßspule 52, die zweite Meßspule 54, das Kabel 74, die Elektronik 76 und die Kurzschlußspule 60 bilden zusammen ein Wegmeßsystem. Die erste Masse 20, die Kolbenstange 8, der Dämpferkolben 6, die Schutzhaube 10 mit den Spulen 50, 52, 54 sind relativ zueinander feststehend und können deshalb als ein Kör­ per betrachtet werden. Der innere Zylinder 2, der äußere Zylinder 4, die zweite Masse 22 und die Kurzschlußspule 60 sind ebenfalls rela­ tiv zueinander unbeweglich und können deshalb als ein anderer Körper betrachtet werden. Die beiden Körper sind Teil einer Einrichtung. Die beiden Körper der Einrichtung sind gegenseitig verschiebbar. Mit dem erfindungsgemäßen Wegmeßsystem kann die Stellposition des einen der beiden Körper gegenüber dem anderen der beiden Körper erfaßt werden.

In dem dargestellten Ausführungsbeispiel bewegt sich der eine Körper gegenüber dem anderen Körper so, daß der Abstand der Kurzschlußspule 60 gegenüber den Spulen 50, 52, 54 im wesentlichen stets gleich bleibt. Das heißt, es ändert sich zwar die Eintauchtiefe, aber der Abstand 64 bleibt gleich. Es ist aber auch möglich, die Spulen 50, 52, 54, 60 so an den beiden Körpern anzuordnen, daß bei Verschiebung des einen Körpers gegenüber dem anderen Körper sich nicht die Ein­ tauchtiefe, sondern der Abstand der Oberfläche der Kurzschlußspule 60 gegenüber der Speisespule 50 und/oder der ersten/zweiten Meßspule 52 bzw. 54 ändert. Auch in diesem Fall ändert sich die erste und/oder zweite Meßspannug und die Elektronik 76 kann den Abstand der beiden Köper zueinander erfassen.

Anstatt zwei Meßspulen 52, 54 kann auch nur eine der Meßspulen 52, 54 verwendet werden. Wird nur die Meßspule 52 verwendet, so kann das zylindrische Teil 48 der Schutzhaube 10 kürzer als bei Verwendung zweier Meßspulen 52, 54 ausgeführt werden. Es bietet sich an, ent­ weder die Speisespule 50 oder eine der Meßspulen 52, 54 so anzuord­ nen, daß sie immer die Kurzschlußspule 60 umgibt.

Bei zwei Meßspulen 52, 54 ist es vorteilhafterweise möglich, die Differenz beider Meßspannungen zur weiteren Auswertung zu verwenden.

Die Speisespule 50 und die beiden Meßspulen 52, 54 können in bekann­ ter Weise mit der Elektronik 76 zusammengeschaltet sein, wie es z.B. auf Seite 190 in dem "Handbuch für elektrisches Messen mechanischer Größen" aus dem Jahr 1967 von Christoph Rohrbach dargestellt ist. Dort wird anstatt der erfindungsgemäßen Kurzschlußspule 60 ein weichmagnetischer Eisenkern verwendet. Rohrbach nennt für sein auf Seite 190 dargestelltes Wegmeßsystem als Nachteil einen kleinen Wir­ kungsgrad. Wird der weichmagnetische Eisenkern des von Rohrbach ge­ zeigten Wegmeßsystems in erfinderischer Weise durch die Kurzschluß­ spule 60 ersetzt, so kann der Wirkungsgrad und der Linearitätsbe­ reich deutlich vergrößert werden. Dadurch ist es in vorteilhafter Weise möglich, den Abstand zwischen der Kurzschlußspule 60 und den anderen Spulen 50, 52, 54 relativ groß zu wählen und trotzdem aus­ reichend große und gut auswertbare Meßspannungen in den Meßspulen 52, 54 zu erhalten.

Ein besonderer Vorzug des erfindungsgemäßen Wegmeßsystems ist, daß der Abstand 64 größer als bei dem bekannten Wegmeßsystem gewählt werden kann, wobei man trotzdem ausreichend große, gut auswertbare Signalhübe bekommt. Der Abstand 64 kann deutlich größer als 6 mm ge­ wählt werden.

Die Möglichkeit, den Abstand 64 reichlich bemessen zu können, ver­ einfacht die Konstruktion, die Herstellung und Auswahl der verwen­ deten Materialien insbesondere bei einem Stoßdämpfer beträchtlich. Auch kleine radiale Verschiebungen der Schutzhaube 10 gegenüber den Zylindern 2, 4 können das Meßergebnis wegen dem relativ großen Ab­ stand 64 nicht oder so gut wie nicht verfälschen.

Auch bei größerem Abstand 64 sind die in den Meßspulen 52, 54 indu­ zierten Meßspannungen über den gesamten Meßweg, was z.B. dem Hub des Dämpferkolbens entspricht, nahezu linear.

Bei geeigneter Frequenz der Speisespannung der Speisespule 50 hat die Temperatur keinen oder so gut wie keinen Einfluß auf das Meßer­ gebnis. Die geeignete Frequenz hängt von Art und Ausführung der Spu­ len 50, 52, 54, 60 ab.

Bei dem erfindungsgemäßen Wegmeßsystem können mit geringer Tempera­ turabhangigkeit Wege kontaktlos und sehr schnell gemessen werden. Die Speisung und Auswertung ist mit handelsüblichen IC′s möglich.

Das erfindungsgemäße Wegmeßsystem kann bei jeder Einrichtung, bei der zwei Körper gegenseitig verschoben werden und deren Stellposi­ tion relativ zueinander erfaßt werden soll, angewendet werden. Das erfindungsgemäße Wegmeßsystem ist nicht allein auf eine Anwendung bei Stoßdämpfern beschränkt. Insbesondere läßt sich das Wegmeßsystem bei jeder Art von Federbeinen, z.B. bei Federbeinen mit Luftfeder­ elementen usw., anwenden.

Claims (3)

1. Wegmeßsystem einer Einrichtung mit zwei gegenseitig verschieb­ baren Körpern zur Erfassung einer Stellposition des einen Körpers gegenüber dem anderen Körper, wobei ein, mehrere Spulen umfassender Teil des Wegmeßsystems mit einem der beiden Körper verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein anderer, mit dem jeweils anderen Körper verbundener Teil des Wegmeßsystems eine Kurzschlußspule (60) umfaßt.

2. Wegmeßsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der ei­ ne Teil des Wegmeßsystems eine Speisespule (50) und eine Meßspule (52, 54) enthält.

3. Wegmeßsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der ei­ ne Teil des Wegmeßsystems eine Speisespule (50) und zwei Meßspulen (52, 54) umfaßt.