DE4041407A1

DE4041407A1 - Ultraschall-doppler-geschwindigkeitsmessung innerhalb einer hydraulischen betaetigungseinheit

Info

Publication number: DE4041407A1
Application number: DE4041407A
Authority: DE
Inventors: Yoram Guy
Original assignee: Monroe Auto Equipment Co
Current assignee: Tenneco Automotive Inc
Priority date: 1990-03-21
Filing date: 1990-12-21
Publication date: 1991-09-26
Anticipated expiration: 2010-12-22
Also published as: JPH04221217A; AU7327391A; WO1991014589A1; GB2242269A; JPH075010B2; GB9026572D0; US4995635A; DE4041407C2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Fahrzeugaufhängungs systeme, genauer gesagt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen der Relativgeschwindigkeit zwischen den teleskopartig bewegbaren Bauteilen einer hydraulischen Dämpfungsvorrichtung.

Dämpfungsvorrichtungen (Dämpfer) werden in Verbindung mit Aufhängungssystemen von Kraftfahrzeugen verwendet, um uner wünschte Vibrationen zu absorbieren, die während des Fahrens auftreten. Um diese unerwünschten Vibrationen zu absorbie ren, werden üblicherweise Dämpfer zwischen den gefederten Massen (Karosserie) und den ungefederten Massen (Räder) des Kraftfahrzeuges angeordnet. Im Dämpfer ist ein Kolben vorge sehen, der üblicherweise über eine Kolbenstange mit der Karosserie des Kraftfahrzeuges verbunden ist. Da die Ventile und Öffnungen des Kolbens den Durchtritt des Dämpfungsmit tels innerhalb der Arbeitskammer des Dämpfers einschränken, wenn der Dämpfer komprimiert wird, ist dieser in der Lage, eine Dämpfungskraft zu erzeugen, die der Bewegung des Rades und/oder der Karosserie entgegenwirkt, die sonst ungedämpft bleiben würde. Je größer das Ausmaß ist, um das der Durch fluß des Dämpfungsmittels innerhalb der Arbeitskammer durch den Kolben eingeschränkt wird, desto größer sind die vom Dämpfer erzeugten Dämpfungskräfte.

Bei der Auswahl des Dämpfungsgrades, den ein Dämpfer zur Verfügung stellen soll, werden oft drei Betriebseigen schaften des Fahrzeuges berücksichtigt: Der Fahrkomfort, die Handhabung des Fahrzeuges und die Haltefähigkeit des Fahr zeuges auf der Straße. Der Fahrkomfort ist oft eine Funktion der Federkonstanten der Hauptaufhängungsfedern des Fahrzeuges sowie der Federkonstanten der Sitze, Reifen und Dämpfer. Die Fahrzeughandhabung ist u. a. von einer Änderung der Lage der Karosserie (Rollen, Nicken und Gieren) abhängig. Für eine optimale Fahrzeughandhabung sind relativ große Dämpfungs kräfte erforderlich, um eine übermäßig schnelle Änderung der Lage der Karossserie während des Fahrens um eine Ecke, der Beschleunigung und der Verzögerung zu vermeiden. Das Straßenhaltevermögen ist normalerweise eine Funktion der Änderungsgröße der normalen Belastung zwischen den Reifen und dem Boden. Um das Straßenhaltevermögen zu optimieren, werden größere Dämpfungskräfte benötigt, wenn man auf un regelmäßigen Oberflächen fährt, um die normalen Lastände rungen zu minimieren und einen vollständigen Kontaktverlust zwischen den Rädern und dem Boden zu verhindern.

Um den Fahrkomfort, die Fahrzeughandhabung und das Straßen haltevermögen zu optimieren, ist es allgemein wünschens wert, daß die vom Dämpfer erzeugten Dämpfungskräfte auf die Frequenz der von der Straße oder von der Karosserie kommen den Einwirkungen ansprechen. Wenn die Eingangsfrequenz etwa der natürlichen Frequenz der Karosserie entspricht (d. h. etwa zwischen 1-2 Hz liegt), ist es allgemein wünschenswert, daß der Dämpfer relativ große Dämpfungskräfte (relativ zur kritischen Dämpfung) liefert, um eine übermäßig schnelle Änderung der Lage des Fahrzeuges während des Fahrens um eine Ecke, der Beschleunigung und Verzögerung zu vermeiden. Wenn die Eingangsfrequenz zwischen 2-10 Hz, wie in den meisten Fällen von der Straße, liegt, ist es allgemein wünschens wert, daß der Dämpfer ein niedriges Dämpfungsniveau liefert, um ein weiches Fahren zu ermöglichen und zu erreichen so daß die Räder den Änderungen in der Straßenhöhe folgen. Wenn die Eingangsfrequenz von der Straße etwa der natürlichen Frequenz der Fahrzeugaufhängung entspricht (d. h. etwa 10-15 Hz beträgt), ist es einerseits wünschenswert, relativ niedrige Dämpfungskräfte zu erhalten, um ein weiches Fahren zu ermöglichen, und andererseits wünschenswert, hohe Dämpfungskräfte zur Verfügung zu stellen, um Änderungen in der Reifennormallast zu minimieren und einen vollständigen Kontaktverlust zwischen den Rädern und dem Boden zu verhin dern.

Es sind verschiedenartige Verfahren zum wahlweisen Verändern der Dämpfungseigenschaften eines Dämpfers in Abhängigkeit von einer Eingangsfrequenz von der Straße bekannt. In der PCT-Anmeldung Nr. PCT/US 87/00 615 ist ein derartiges Ver fahren beschrieben. Die zur Durchführung des Verfahrens verwendete Vorrichtung umfaßt einen Druckzylinder, der eine Arbeitskammer mit einem ersten und einem zweiten Abschnitt bildet, welche ein Dämpfungsmittel speichern. Die Vor richtung besitzt des weiteren ein erstes Ventil zum Steuern des Durchflusses des Dämpfungsmittels zwischen dem ersten und zweiten Abschnitt der Arbeitskammer während der Kompres sionsphase der Vorrichtung. Darüber hinaus weist die Vor richtung eine Druckkammer auf, die in Strömungsmittelver bindung mit dem ersten Abschnitt der Arbeitskammer und dem ersten Ventil steht. Ein Solenoid ist ebenfalls vorgesehen, um den Durchfluß des Dämpfungsmittels zwischen der Druck kammer und dem zweiten Abschnitt der Arbeitskammer zu regu lieren. Ein zweites Ventil dient zur Steuerung des Durch flusses des Dämpfungsmittels zwischen dem ersten und zweiten Abschnitt der Arbeitskammer während des Rückhubes der Vor richtung.

Wenn solche Methoden zum Verändern der Dämpfungseigenschaf ten eines Dämpfers verwendet werden, benötigen sie oft In formationen, die die Bewegung des Kolbens innerhalb des Druckzylinders des Dämpfers betreffen. Diese Informationen identifizieren nicht nur, ob sich der Dämpfer in der Kom pressions- oder Rückhubphase befindet, sondern können auch Einzelheiten über die Größe und die Frequenz der Aufhän gungsbewegung liefern.

Zum Erhalten von derartigen Informationen, die die Bewegung des Kolbens innerhalb des Druckzylinders betreffen, sind diverse Vorgehensweisen bekannt. Beim Gegenstand der PCT- Anmeldung Nr. PCT/US 87/00 615 finden ein Drucksensor sowie ein Beschleunigungsmesser Verwendung, um zu bestimmen, ob sich der Dämpfer in der Kompressions- oder Extensionsphase befindet, sowie um die Straßenoberfläche betreffende Infor mationen zu erhalten. In der GB-OS 21 77 475 und der DE- GM 87 02 817 sind Aufhängungsdämpfungsvorrichtungen be schrieben, bei denen Systeme Anwendung finden, die von Ultraschallwellen Gebrauch machen, um die Positionsver schiebung zu ermitteln. Diese Informationen über die Posi tionsverschiebung werden durch Bestimmung der Zeitdauer er halten, die zwischen der Übertragung einer Ultraschallwelle und dem Empfang ihrer reflektierten Echowelle verstreicht. Bei beiden Veröffentlichungen findet ein einziger Wandler Verwendung, der die gepulsten Ultraschallwellen abgibt und empfängt. Durch die Verwendung eines einzigen Wandlers (Schallgebers und Aufnehmers) wird jedoch der Einbau einer teuren Ultraschallwellenmodulations- und Eichschaltung er forderlich, um eine kohärente Wellenerfassung sicherzu stellen. Darüber hinaus sind die Wandler bei beiden Ver öffentlichungen so montiert, daß der Kolben die Ultra schallwellen reflektiert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Erfassen der Relativgeschwindigkeit zwischen den teleskop artig bewegbaren Bauteilen einer hydraulischen Betätigungs einheit (eines Dämpfers) zur Verfügung zu stellen, mit dem eine selektive Steuerung in bezug auf die von der Betäti gungseinheit erzeugte Dämpfung, Bewegung, Position und/oder Kräfte möglich ist.

Die Erfindung bezweckt ferner die Schaffung eines hydrau lischen Dämpfers oder einer hydraulischen Betätigungsein heit, die in der Lage ist, eine selektive Dämpfung vorzu sehen, die ein Verfahren zum Berechnen der Relativgeschwin digkeit eines teleskopartig bewegbaren Kolbens in einem Druckzylinder unter Anwendung der akustischen Doppler- Prinzipien einschließt.

Erfindungsgemäß sollen darüber hinaus ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen von kontinuierlichen elektrischen Realzeit-Signalen zum wahlweisen Steuern der Aufhängungsei genschaften zur Verfügung gestellt werden.

Auch bezweckt die Erfindung die Schaffung eines Verfahrens und einer Vorrichtung zum wahlweisen Steuern der Eigen schaften eines Dämpfers in Abhängigkeit von Änderungen in der Frequenz von akustischen Wellen, vorzugsweise innerhalb des Ultraschallspektrums, wobei diese Änderungen von der Relativgeschwindigkeit zwischen den gefederten und ungefe derten Abschnitten eines Fahrzeuges abhängig sind.

Schließlich soll erfindungsgemäß ein direktwirkender, teleskopartiger, hydraulischer Dämpfer geschaffen werden, der in bezug auf Anwendungsfälle bei einem Fahrzeug einen hohen Flexibilitätsgrad besitzt. Diesbezüglich soll auch eine kontaktfreie Geschwindigkeitserfassungsvorrichtung geschaffen werden, die in den Dämpfer integriert und einge baut ist und die eine universelle Anwendungsmöglichkeit in bezug auf in breitem Maße verschiedene Formen und Größen von Aufhängungen bietet.

Die vorstehend genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer bevorzugten Ausführungsform durch eine hydraulische Betätigungseinheit gelöst, die einen direkt wirkenden hydraulischen Dämpfer mit einer ersten elektromechanischen Wandlereinrichtung (Schallgeber) zur Abgabe von Schallwellen und einer zweiten elektromechanischen Wandlereinrichtung (Empfänger) zum Empfang der Schallwellen aufweist. Der Schallgeber und Empfänger bzw. Aufnehmer sind am Kolben montiert, der koaxial im Druckzylinder des Dämpfers ange ordnet ist, und zwar auf der Fläche des Kolbens, die zu der zur Kolbenstange hinweisenden Fläche entgegengesetzt ist. Elektrische Leitungen, die sich durch die Kolbenstange und den Kolben erstrecken, schließen die einzelnen Wandler an eine Signalerzeugungs- und Signalverarbeitungsschaltung an.

Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird durch eine Wel lenerzeugungsschaltung der Schallgeber so erregt, daß er eine Ultraschallwelle mit konstanter Frequenz erzeugt. Der Schallgeber gibt über das zwischen der Fläche des Kolbens und der Endwand oder dem am Ende des Druckzylinders, das auf den Schallgeber und Empfänger weist, angeordnete Basisventil Ultraschallwellen einer vorgegebenen Frequenz und Dauer ab. Die abgegebenen Ultraschallwellen werden durch eine Endwand oder ein Basisventil am Ende des Zylinders reflektiert, so daß sie sich durch das Dämpfungsmittel zum Empfänger zurück fortpflanzen. Der Empfänger steht elektrisch mit einer Frequenzerfassungsschaltung in Verbindung, die die Frequenz der reflektierten Ultraschallwellen erfaßt. Desweiteren steht die Wellenerzeugungsschaltung elektrisch mit der Frequenzerfassungsschaltung in Verbindung, um eine Anzeige in bezug auf die Frequenz der vom Schallgeber abgegebenen Ultraschallwellen vorzusehen.

Durch Nutzung der Frequenzdifferenz zwischen den abgegebenen Ultraschallwellen und den reflektierten Ultraschallwellen kann die Relativgeschwindigkeit des Kolbens in bezug auf das Zylinderende auf der Basis des Doppler-Prinzips unter Ver wendung eines Computers errechnet werden, wie nachfolgend beschrieben. Daher kann eine kontinuierliche Bestimmung der Relativgeschwindigkeit durchgeführt werden, was von einer Kolbensteuerschaltung zum Steuern der Dämpfungskräfte des Dämpfers genutzt wird. Die Bestimmung der Relativgeschwin digkeit kann auch zum Erfassen der Polarität (Richtung) der Bewegung des Kolbens eingesetzt werden.

Obwohl bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ein Zweirohrdämpfer Verwendung findet, ist die vorliegende Er findung auch ohne weiteres bei Einrohrdämpfern, Federbeinen und anderen hydraulischen Betätigungseinheiten, die bei Kraftfahrzeugen Verwendung finden, anwendbar.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbei spiels in Verbindung mit der Zeichnung im einzelnen erläu tert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung von direkt wirkenden hydraulischen Dämpfern gemäß der Erfindung in Anwendung bei einem typischen Kraftfahrzeug;

Fig. 2 eine vergrößerte Seitenansicht, teilweise im Schnitt, eines in Fig. 1 gezeigten direkt wirkenden hydraulischen Dämpfers gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 3 einen vergrößerten Schnitt durch Fig. 2, der die Relativlage und Funktionsweise der in Fig. 2 dargestellten Ultraschall wandler zeigt; und

Fig. 4 ein Blockdiagramm der elektrischen Bau teile, die zum Betrieb der in Fig. 2 gezeigten Wandler sowie zum Verändern der Dämpfungseigenschaften des Dämpfers verwendet werden.

Fig. 1 zeigt vier als Dämpfer 20 ausgebildete hydraulische Betätigungseinheiten gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Dämpfer 20 sind in Verbin dung mit einem schematisch dargestellten herkömmlichen Kraftfahrzeug 22 gezeigt. Das Kraftfahrzeug 22 besitzt eine hintere Aufhängung 24 mit einer quer verlaufenden Hinterrad einheit 26, die die Hinterräder 28 des Kraftfahrzeuges 22 trägt. Die Radeinheit 26 ist über ein Paar von Dämpfern 20 sowie über Schraubenfedern 30 mit der Karosserie des Kraft fahrzeuges 22 verbunden. In entsprechender Weise besitzt das Kraftfahrzeug 22 ein vorderes Aufhängungssystem 32 mit einer quer verlaufenden Vorderradeinheit 34, die die Vorderräder 36 trägt. Die Vorderradeinheit 34 ist über ein zweites Paar von Dämpfern 20 und Schraubenfedern 38 mit der Karosserie des Kraftfahrzeuges 22 verbunden. Die Dämpfer 20 dienen dazu, die Relativbewegung der ungefederten Abschnitte (d. h. der vorderen und hinteren Aufhängung 32 und 24) und des gefederten Abschnittes (d. h. der Karosserie 39) des Kraftfahrzeuges 22 zu dämpfen. Obwohl das Kraftfahrzeug 22 als Personenwagen gezeigt ist, können die Dämpfer 20 auch bei anderen Kraftfahrzeugtypen Verwendung finden.

Fig. 2 zeigt einen Dämpfer 20 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Dämpfer 20 besitzt einen länglichen rohrförmigen Druckzylinder 40, der eine ein Dämpfungsmittel enthaltende Arbeitskammer 42 bil det. Innerhalb der Arbeitskammer 42 ist ein hin- und her beweglicher Kolben 44 angeordnet, der an einem Ende einer axial verlaufenden Kolbenstange 46 befestigt ist. Der Kolben 44 besitzt eine Umfangsnut 48, die einen Kolbenring 50 hal tert, wie dies bekannt ist. Der Kolbenring 50 dient dazu, während der Bewegung des Kolbens 44 einen Dämpfungsmittel durchtritt zwischen dem Außenumfang des Kolbens 44 und dem Innenumfang des Zylinders 40 zu verhindern. Ein Basisventil, das allgemein mit dem Bezugszeichen 52 versehen ist, ist im unteren Ende des Druckzylinders 40 angeordnet und wird zum Steuern des Durchtritts des Dämpfungsmittels zwischen der Arbeitskammer 42 und einem ringförmigen Strömungsmittel speicher 54 verwendet. Der ringförmige Strömungsmittel speicher 54 wird durch den Raum zwischen dem Außenumfang des Zylinders 40 und dem Innenumfang eines Speicherrohres oder Zylinders 56 gebildet, das bzw. der mittig um die Außenseite des Druckzylinders 40 herum angeordnet ist. Das Basisventil 52 kann von einer Bauart sein, wie sie in der US-PS 37 71 626 beschrieben ist. Diese Veröffentlichung wird hiermit in die vorliegende Offenbarung aufgenommen. Desweiteren be sitzt das Basisventil 52 eine stufenförmige obere Ausbil dung mit einer ersten Fläche 51 und einer zweiten Fläche 53, die im Detail hiernach beschrieben werden. Es versteht sich, daß die vorliegende Erfindung auch bei hydraulischen Betä tigungseinheiten Anwendung findet, die ohne Basisventile, Rückschlagventile o. ä. arbeiten.

Die oberen und unteren Enden der Dämpfer 20 sind mit all gemein becherförmigen oberen und unteren Endkappen 58 und 60 versehen. Die Endkappen 58 und 60 sind über geeignete Mit tel, beispielsweise durch Schweißen, an den gegenüberliegen den Enden des Speicherrohres 56 befestigt. Die Dämpfer 20 sind mit einer Schutzhaube 62 versehen, die mit ihrem oberen Ende am oberen Ende der Kolbenstange 46 befestigt ist. Ge eignete Endfittings 64 sind am oberen Ende der Kolbenstange 46 und an der unteren Endkappe 60 befestigt, um die Dämpfer 20 zwischen der Karosserie und der Radeinheit des Kraft fahrzeuges 22 zu fixieren. Es ist für den Fachmann klar, daß durch eine Hin- und Herbewegung des Kolbens 44 Dämpfungsmit tel im Druckzylinder 40 zwischen dem oberen und unteren Ab schnitt der Arbeitskammer 42 und zwischen der Arbeitskammer 42 und dem Strömungsmittelspeicher 54 übertragen wird. Durch Steuern des Durchtritts des Dämpfungsmittels zwischen dem oberen und unteren Abschnitt der Arbeitskammer 42 sind die Dämpfer 20 in der Lage, die Relativbewegung zwischen der Karosserie und einem Rad des Kraftfahrzeuges 22 in ge steuerter Weise zu dämpfen.

Der Kolben 44 ist mit einer Ventilanordnung (nicht gezeigt) zum gesteuerten Dosieren des Durchtritts des Dämpfungsmit tels zwischen dem oberen und unteren Abschnitt der Arbeits kammer 42 während der Hin- und Herbewegung des Kolbens ver sehen. Eine solche Ventilanordnung ist in der PCT-Anmeldung Nr. PCT/US 87/00 615 beschrieben, auf die hiermit Bezug genommen wird. Es versteht sich jedoch, daß die vorliegende Erfindung auch in Verbindung mit anderen geeigneten Ventil anordnungen sowie anderen geeigneten Dämpfungsvorrichtungen Anwendung finden kann.

Erfindungsgemäß umfaßt der Dämpfer 20 des weiteren einen Schallgeber 66 und einen Aufnehmer 68, die beide an der Fläche des Kolbens 44 gegenüber der Kolbenstange 46 be festigt sind. Der Schallgeber 66 erzeugt Ultraschallwellen mit einer vorgegebenen Frequenz f1 in Richtung der Endwand des Zylinders 40, die zum Schallgeber und Aufnehmer hin weist und an der das Basisventil 52 befestigt ist. Bei dem Schallgeber 66 kann es sich um eine piezoelektrische oder magnetorestriktive Vorrichtung handeln. Andere geeignete Vorrichtungen können jedoch ebenfalls Verwendung finden. Wenn die vom Schallgeber 66 abgegebenen Ultraschallwellen auf das Basisventil 52 treffen, werden sie in einer Richtung auf den Aufnehmer 68 zu reflektiert. Der Aufnehmer 68 dient dazu, die Ultraschallwellen einer Frequenz f₂, die vom Basisventil 52 reflektiert wurden, zu empfangen und in Ab hängigkeit davon ein Ausgangssignal zu erzeugen. Auch der Aufnehmer 68 bzw. Empfänger kann eine piezoelektrische oder magnetorestriktive Vorrichtung sein. Es können jedoch auch andere geeignete Vorrichtungen Verwendung finden. Für die nachfolgende Erläuterung werden die vom Schallgeber 66 er zeugten Ultraschallwellen als abgegebene Ultraschallwellen bezeichnet, während die vom Basisventil 52 zum Aufnehmer 69 reflektierten Ultraschallwellen als reflektierte Ultra schallwellen bezeichnet werden.

Das Basisventil 52 ist mit einer ersten Stufenfläche 51 ver sehen, die in Axialrichtung um einen vorgegebenen Abstand über einer zweiten Stufenfläche 53 senkrecht zur Achse des Zylinders 40 liegt. Dieser vorgegebene axiale Abstand zwischen den Stufenflächen 51 und 53 bildet eine Einrichtung zum Kompensieren von Änderungen in der Fortpflanzungsge schwindigkeit der Wellen durch das Dämpfungsmittel aufgrund von Temperatur- und Druckauswirkungen auf die Viskosität des Strömungsmittels. Die Stufenflächen 51 und 53 erzeugen eine getrennte reflektierte Welle und Echowelle, die beide vom Aufnehmer 68 empfangen werden. Die Echowelle läuft hinter der reflektierten Welle her und wird nach dem Empfang der reflektierten Welle vom Aufnehmer 68 empfangen. Die Be ziehung zwischen dem vorgegebenen axialen Abstand und der Zeit zwischen dem Empfang der reflektierten Welle und der Echowelle ermöglicht Einstellungen zur Kompensation von Viskositätsänderungen des Strömungsmittels. Obwohl bei der bevorzugten Ausführungsform ein Zweirohrdämpfer mit einem Basisventil Verwendung findet, liegt im Rahmen der Erfin dung jeder beliebige hydraulische Dämpfer, der mit einer abgestuften Endplatte oder einer abgestuften Endfläche versehen ist, welche in einer zueinander ausgerichteten Weise dem Schallgeber 66 und Aufnehmer 68 gegenüberliegen.

Wenn der Kolben 44 relativ zum Basisventil 52 stationär ist, besitzen die reflektierten Ultraschallwellen die gleiche Frequenz wie die abgegebenen Ultraschallwellen. Wenn sich der Kolben 44 jedoch in einer Richtung zum Zylinderende hin, an dem das Basisventil 52 befestigt ist, bewegt, liegt die Frequenz der reflektierten Ultraschallwellen über der Frequenz der abgegebenen Ultraschallwellen. Wenn sich der Kolben 44 im Gegensatz dazu in einer Richtung vom Zylinder ende, an dem das Basisventil 52 angeordnet ist, weg bewegt, besitzen die reflektierten Ultraschallwellen eine geringere Frequenz als die abgegebenen Ultraschallwellen. Dieses Phänomen wird als Doppler-Effekt bezeichnet.

Unter Ausnutzung des Doppler-Effektes kann die Relativ geschwindigkeit zwischen dem Kolben 44 und einer gegen überliegenden distalen Endfläche des Zylinders 40, wie der vom Basisventil 52 vorgegegebenen Endfläche, bestimmt werden. Dabei kann die Geschwindigkeit des Kolbens 44 relativ zur Endfläche des Druckzylinders 40 nach einer der folgenden Gleichungen errechnet werden:

worin bedeuten:

f₁ = Frequenz der vom Schallgeber 66 erzeugten abgegebenen Ultraschallwellen
f₂ = Frequenz der vom Aufnehmer 68 empfangenen reflektierten Ultraschallwellen
f_b = "Schlagfequenz" definiert als f₂-f₁
v = Relativgeschwindigkeit zwischen Kolben 44 und einer Zylinderendfläche (Basisventil 52)
c = Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Wellen durch das Dämpfungsmittel.

Die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Ultraschallwellen durch die Arbeitskammer 42 hängt zum großen Teil von den Eigenschaften des Dämpfungsmediums ab, durch das sich die Wellen fortpflanzen. Obwohl bei der bevorzugten Ausführungs form der vorliegenden Erfindung ein hydraulisches Dämpfungs mittel als Dämpfungsmedium Verwendung findet, ist die Er findung naturgemäß auch für eine Vielzahl von anderen Strömungsmitteln geeignet.

Als Einrichtung zum Betreiben des Schallgebers 66 ist eine Wellenerzeugungsschaltung 72 vorgesehen. Die Wellenerzeu gungsschaltung 72 ist an den Schallgeber 66 elektrisch ange schlossen, so daß der Schallgeber 66 Ultraschallwellen einer vorgegebenen Frequenz f₁ erzeugen kann. Die Wellenerzeu gungsschaltung 72 bewirkt vorzugsweise, daß die vom Schall geber 66 erzeugten Ultraschallwellen eine kontinuierliche Form besitzen, so daß wirksame und kontinuierliche Realzeit- Bestimmungen der Relativgeschwindigkeit zwischen dem Kolben 44 und dem Basisventil 52 möglich sind. Bei der Wellener zeugungsschaltung 72 kann es sich um einen Oszillator han deln. Es können jedoch auch andere Arten von Wellenerzeu gungsschaltungen Anwendung finden, wie beispielsweise Impulswellengeneratoren.

Als Einrichtung zum Messen der Änderung der Frequenz zwischen den reflektierten Ultraschallwellen und den abge gebenen Ultraschallwellen umfaßt der Dämpfer 20 desweiteren eine Frequenzerfassungsschaltung 80. Wie in Fig. 4 gezeigt, empfängt die Frequenzerfassungsschaltung 80 die Ausführungs signale von der Wellenerzeugungsschaltung 72 sowie vom Auf nehmer 68. Die Frequenzerfassungsschaltung 80 ermittelt die Frequenzänderung, indem sie die Ausgangssignale von der Wel lenerzeugungsschaltung 72 und vom Schallaufnehmer 68 addiert oder überlagert. Die Überlagerung der Ausgangssignale ent sprechend den abgegebenen Ultraschallwellen und den reflek tierten Ultraschallwellen stellt ein Frequenzermittlungs verfahren dar, das in Doppler-Radar-Systemen üblich ist. Wie Gleichung (2) zeigt, ist die überlagerte Schlagfequenz fb linear proportional zur Relativgeschwindigkeit v des Kol bens, so daß eine kontinuierliche Ermittlung von Änderungen in der Relativbewegung zwischen dem Zylinder 40 und dem Kolben 44 möglich ist. Es versteht sich jedoch, daß auch jede andere geeignete Einrichtung zum Messen der Differenz zwischen der Frequenz der reflektierten Ultraschallwellen und der abgegebenen Ultraschallwellen verwendet werden kann.

Nach der Bestimmung der Schlagfrequenz wird die Relativge schwindigkeit des Kolbens 44 zum Basisventil 52 in der vor stehend beschriebenen Weise errechnet. Als Einrichtung zum Errechnen der Relativgeschwindigkeit zwischen dem Kolben 44 und dem Zylinder 40 wird ein elektronischer Prozessor (Computer) 90 verwendet. Gemäß der beschriebenen Aus führungsform benutzt der Computer 90 die Ausgangssignale der Frequenzerfassungsschaltung 80, um die Relativgeschwindig keit des Kolbens 44 zum Basisventil 52 zu ermitteln. Nach dem der Computer 90 diese Relativgeschwindigkeit ermittelt hat, erzeugt er in Abhängigkeit von der Geschwindigkeits berechnung ein Ausgangssignal, das bei verschiedenen Auf hängungssteuer-Algorithmen, die als Eingangssignal die Relativgeschwindigkeit benötigen, verwendet werden kann. Ein derartiges Steuerschema besteht darin, den errechneten Ge schwindigkeitswert einer Kolbensteuerschaltung 100 zuzu führen. Eine solche Kolbensteuerschaltung 100 verändert dann die Dämpfungseigenschaften der Kolbenventile, um die ge wünschten Eigenschaften in bezug auf die Beherrschung der Straße zu erhalten. Anstelle oder zusätzlich zu einer Dämpfungssteuerung können derartige Relativgeschwindig keitsbestimmungen jedoch auch dazu eingesetzt werden, um Informationen in bezug auf die Lage, Richtung und/oder Kräfte zu liefern, welche zur Steuerung von aktiven oder dynamischen Niveaureglern geeignet sind.

Die vorliegende Erfindung besitzt eine Einrichtung zum Einstellen der Relativgeschwindigkeitsbestimmung v, um auf diese Weise Frequenzänderungen durch die Temperaturvisko sität des Dämpfungsmediums zu kompensieren. Eine solche Einstellung beinhaltet die periodische Berechnung des momentanen Wertes der Fortpflanzungsgeschwindigkeit c der Wellen unter Verwendung der Echowelle und der reflektierten Welle, die durch die vorstehend erwähnten Stufenflächen er zeugt werden.

Es versteht sich, daß mit der beschriebenen bevorzugten Aus führungsform die eingangs genannte Aufgabe gelöst werden kann. An der Erfindung können jedoch auch Änderungen vor genommen werden, ohne daß hierdurch der Rahmen der Erfin dung verlassen wird. Beispielsweise können die Frequenzer fassungsschaltung 80, der Computer 90 und die Wellener zeugungsschaltung 70 alle entweder innerhalb oder außerhalb des Dämpfers vorgesehen sein. Wenn diese Bauteile außerhalb des Dämpfers 20 vorgesehen sind, kann ein einziger Computer 90 Verwendung finden, um die Relativgeschwindigkeit zu er rechnen und irgendwelche Aufhängungsparameter (Niveau, Dämpfung, Federverhalten etc.) für jeden Dämpfer in der Aufhängung des Fahrzeuges zu steuern.

Auch liegen andere Einrichtungen zum Kompensieren von Frequenzänderungen aufgrund von Temperatur- und Viskosi tätseffekten des Dämpfungsmittels im Rahmen der Erfindung. Solche alternativen Kompensationsmethoden können die Er fassung von Temperaturänderungen des Strömungsmittels zum Schätzen von Frequenzänderungen auf der Basis von bekannten Eigenschaften des Dämpfungsmittels einschließen.

Claims

1. Hydraulische Betätigungseinheit, die zwischen den gefe derten und ungefederten Abschnitten eines Fahrzeuges ange ordnet ist und Änderungen in der Relativgeschwindigkeit zwischen den teleskopartig bewegbaren Bauteilen derselben messen kann, gekennzeichnet durch:
Einen Zylinder (40), der eine Arbeitskammer (42) bildet, die ein Dämpfungsmittel speichert;
einen Kolben (44), der im Zylinder (40) angeordnet ist und einen ersten und einen zweiten Abschnitt der Arbeitskammer (42) bildet sowie beweglich im Zylinder angeordnet ist;
eine erste Wandlereinrichtung (66) zur Abgabe von Schall wellen durch das im zweiten Abschnitt der Arbeitskammer (42) vorhandene Dämpfungsmittel;
Einrichtungen zum Betreiben der ersten Wandlereinrichtung (66), damit die erste Wandlereinrichtung Schallwellen ab gibt;
Einrichtungen zum Reflektieren der von der ersten Wandler einrichtung (66) abgegebenen Schallwellen, die im Zylinder (40) angeordnet sind;
eine zweite Wandlereinrichtung (68) zum Empfang der von den reflektierenden Einrichtungen reflektierten Schallwellen;
Meßeinrichtungen zum Ermitteln der Frequenzänderung zwischen den von der zweiten Wandlereinrichtung (68) empfangenen Schallwellen und den von der ersten Wandlereinrichtung (66) abgegebenen Schallwellen und zum Erzeugen eines Ausgangs signales in Abhängigkeit davon; und
Einrichtungen zum Berechnen der Relativgeschwindigkeit des Kolbens (44) zum Zylinder (40) in Abhängigkeit vom Ausgangs signal der Meßeinrichtungen.

2. Betätigungseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß sie des weiteren eine Steuerschaltung und Logik aufweist, die wahlweise mindestens einen Aufhängungs parameter in Abhängigkeit von der Relativbewegung des Kolbens (44) im Zylinder (44) verändern.

3. Betätigungseinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie als hydraulischer, direkt wirkender Teleskopdämpfer (20) ausgebildet ist.

4. Betätigungseinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der von der ersten Wandlereinrichtung (66) abgegebenen Schallwellen im Ultraschallspektrum liegt.

5. Betätigungseinheit nach Anspruch 4, dadurch gekenn zeichnet, daß die Einrichtungen zum Betreiben der ersten Wandlereinrichtung eine Wellenerzeugungsschaltung (72) umfassen, die bewirkt, daß die erste Wandlereinrichtung (66) Ultraschallwellen erzeugt.

6. Betätigungseinheit nach Anspruch 5, dadurch gekenn zeichnet, daß die Wellenerzeugungsschaltung (72) ermöglicht, daß die erste Wandlereinrichtung (66) Ultraschallwellen er zeugt, die eine feste gesteuerte Frequenz und Periode be sitzen.

7. Betätigungseinheit nach Anspruch 6, dadurch gekenn zeichnet, daß die erste Wandlereinrichtung (66) einen Schallgeber umfaßt, der in einer Fläche des Kolbens (44) gegenüber einer Kolbenstange (46) montiert und in der Lage ist, Schallwellen durch das im zweiten Abschnitt der Ar beitskammer (42) enthaltene Dämpfungsmittel abzugeben.

8. Betätigungseinheit nach Anspruch 7, dadurch gekenn zeichnet, daß die zweite Wandlereinrichtung (68) einen am Kolben (44) benachbart zum Schallgeber montierten Aufnehmer aufweist.

9. Betätigungseinheit nach Anspruch 8, dadurch gekenn zeichnet, daß der Schallgeber und der Aufnehmer piezo elektrische Wandler umfassen.

10. Betätigungseinheit nach Anspruch 8, dadurch gekenn zeichnet, daß der Schallgeber und der Aufnehmer magneto restriktive Wandler umfassen.

11. Betätigungseinheit nach Anspruch 7, dadurch gekenn zeichnet, daß die reflektierenden Einrichtungen ein Basis ventil (52) aufweisen, das an einer Endfläche des Zylinders (40), die dem Schallgeber und Aufnehmer gegenüberliegt, be festigt ist.

12. Betätigungseinheit nach Anspruch 11, dadurch gekenn zeichnet, daß das Basisventil (52) des weiteren Ein richtungen zum Kompensieren von Änderungen in der Fort pflanzungsgeschwindigkeit der Schallwellen aufweist.

13. Betätigungseinheit nach Anspruch 7, dadurch gekenn zeichnet, daß die reflektierenden Einrichtungen eine Endfläche des Zylinders umfassen, die dem Schallgeber und Aufnehmer gegenüberliegt.

14. Betätigungseinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtungen eine Frequenzerfassungsschaltung (80) umfassen, die in Ab hängigkeit von Änderungen der Frequenz zwischen den von der zweiten Wandlereinrichtung (68) empfangenen Schallwellen und den von der ersten Wandlereinrichtung (66) abgegebenen Schallwellen kontinuierlich ein Ausgangssignal erzeugt.

15. Betätigungseinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zum Berechnen der Relativgeschwindigkeit des Kolbens einen elektronischen Prozessor (90), beispielsweise einen Compu ter, umfassen.

16. Verfahren zum Bestimmen der Relativbewegung eines Kolbens innerhalb eines Druckzylinders eines Dämpfers, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:
Abgeben eines von einer Wellenerzeugungsschaltung erzeugten elektrischen Signales an einen Ultraschallgeber, der in Abhängigkeit von dem von der Wellenerzeugungsschaltung erzeugten elektrischen Signal Ultraschallwellen einer festen und gesteuerten Frequenz abgibt;
Reflektieren der vom Ultraschallgeber abgegebenen Ultra schallwellen an einer festen Innenfläche des Druckzylin ders;
Empfangen der von der festen Innenfläche reflektierten Ultraschallwellen durch einen benachbart zum Ultraschall geber angeordneten Ultraschallempfänger;
Vorsehen von Meßeinrichtungen zum Vergleichen der Frequenz der vom Ultraschallempfänger empfangenen Ultraschallwellen mit der Frequenz der vom Ultraschallgeber abgegebenen Ultra schallwellen und Erzeugen eines Ausgangssignales in Abhän gigkeit davon;
Berechnen der Relativbewegung zwischen dem Kolben und der festen Innenfläche in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal der Meßeinrichtungen; und
Auswählen eines Aufhängungsparameters in Abhängigkeit von der Relativbewegung zwischen dem Kolben und der festen Innenfläche.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben eine erste Fläche, die der festen Innenfläche des Druckzylinders gegenüberliegt, aufweist und daß der Ultra schallgeber an dieser ersten Fläche des Kolbens montiert ist.

18. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekenn zeichnet, daß der Schritt des Vergleichens der Frequenz der vom Ultraschallempfänger empfangenen Ultraschallwellen mit der Frequenz der vom Ultraschallgeber abgegebenen Ultra schallwellen das Zuführen der Ausgangssignale vom Ultra schallempfänger und von der Wellenerzeugungsschaltung zu einer Frequenzerfassungsschaltung umfaßt, die kontinuier lich Änderungen in der Frequenz der vom Ultraschallempfänger empfangenen Ultraschallwellen in bezug auf die vom Ultra schallgeber abgegebenen Ultraschallwellen bestimmt und das Ausgangssignal in Abhängigkeit davon erzeugt.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt der Berechnung der Relativ bewegung zwischen dem Kolben und der festen Innenfläche das Abgeben des Ausgangssignales der Frequenzerfassungsschaltung an einen Computer umfaßt, der die Relativbewegung aus dem Ausgangssignal berechnet.

20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Computer die Relativbewegung zwischen dem Kolben und der festen Innenfläche des Druckzylinders nach einer der nach folgenden Gleichungen ermittelt: worin bedeuten:
f₁ = Frequenz der vom Ultraschallgeber abgegebenen Ultraschallwellen
f₂ = Frequenz der vom Ultraschallempfänger empfangenen Ultraschallwellen
f_b = "Schlagfrequenz" definiert als f₂-f₁
v=Relativgeschwindigkeit zwischen dem Kolben und dem festen Element
c = Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Ultraschallwellen durch das Dämpfungsmittel.

21. Direktwirkender hydraulischer Dämpfer, der wahlweise eine Aufhängungseigenschaft in Abhängigkeit von der Relativ geschwindigkeit zwischen einem Kolben und einer Zylinderend fläche variieren kann, gekennzeichnet durch:
Einen Druckzylinder (40) zur Ausbildung einer Arbeitskammer (42), die ein Dämpfungsmittel speichern kann;
einen Kolben (44), der im Druckzylinder (40) angeordnet ist und einen ersten und zweiten Abschnitt der Arbeitskammer (42) ausbildet, wobei der Kolben (44) relativ zum Druck zylinder bewegbar ist und Ventileinrichtungen zum Dosieren des Durchtritts des Dämpfungsmittels zwischen dem ersten und zweiten Abschnitt der Arbeitskammer (42) während der Be wegung des Kolbens innerhalb des Druckzylinders umfaßt;
eine erste Wandlereinrichtung (66) zum Abgeben und axialen Übertragen von Schallwellen durch das im zweiten Abschnitt der Arbeitskammer (42) enthaltene Dämpfungsmittel, die an einer Fläche des Kolbens (44) montiert ist, welche zum zweiten Abschnitt hinweist;
Einrichtungen zum Betreiben der ersten Wandlereinrichtungen (66);
eine Endfläche des zweiten Abschnitts der Arbeitskammer (42), die in der Lage ist, von der ersten Wandlerein richtung (66) abgegebene Schallwellen zu reflektieren und Einrichtungen zum Kompensieren von Änderungen in der Fort pflanzungsgeschwindigkeit der Schallwellen durch das Dämpfungsmittel aufweist;
eine zweite Wandlereinrichtung (68) zum Empfangen der von der Endfläche reflektierten Schallwellen, die an einer Kolbenfläche benachbart zur ersten Wandlereinrichtung (66) montiert ist;
eine Frequenzerfassungsschaltung (80) zum Messen der Frequenzdifferenz der von der ersten Wandlereinrichtung (66) abgegebenen Schallwellen und der von der zweiten Wandlerein richtung (68) empfangenen Schallwellen und zum Erzeugen eines Ausgangssignales in Abhängigkeit davon;
einen Prozessor (90) zum Berechnen der Relativgeschwindig keit des Kolbens zur Endfläche aus dem Ausgangssignal der Frequenzerfassungsschaltung (80); und
eine Steuerschaltung zum wahlweisen Steuern der gewünschten Aufhängungseigenschaft in Abhängigkeit von der Geschwindig keit des Kolbens relativ zur Endfläche.

22. Dämpfer nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die von der ersten Wandlereinrichtung (66) abgegebenen Schallwellen und die von der zweiten Wandlereinrichtung (68) empfangenen Schallwellen im Ultraschallspektrum liegen.

23. Dämpfer nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zum Betreiben der ersten Wandlerein richtung (66) eine Wellenerzeugungsschaltung (72) umfassen, die bewirkt, daß die erste Wandlereinrichtung (66) Ultra schallwellen mit konstanter Frequenz erzeugt.

24. Dämpfer nach einem der Ansprüche 21 bis 23, dadurch ge kennzeichnet, daß die erste und zweite Wandlereinrichtung (66, 68) piezoelektrische Vorrichtungen umfassen.

25. Dämpfer nach einem der Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und zweite Wandlereinrichtung (66, 68) magnetorestriktive Vorrichtungen umfassen.

26. Dämpfer nach einem der Ansprüche 21 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzerfassungsschaltung (80) in Abhängigkeit von Änderungen der Frequenz der zweiten Wand lereinrichtung (68) kontinuierlich ein Ausgangssignal er zeugt.

27. Dämpfer nach einem der Ansprüche 21 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß die der Endfläche zugeordnete Kompen sationseinrichtung eine stufenförmige Endflächenform mit einer ersten und zweiten Reflexionsfläche (51, 53) umfaßt, wobei diese erste und zweite Reflexionsfläche (51, 53) um eine vorgegebene axiale Strecke gegeneinander verschoben sind, so daß die Wandlereinrichtung (68) von der ersten und zweiten Reflexionsfläche reflektierte Schallwellen empfängt, um ein Bezugssignal zu erhalten.