DE4109181C2 - Piezoelektrischer Beschleunigungsaufnehmer - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Beschleunigungsaufnehmer, der in den Schwingungsdämpfer eines Fahrzeugs installiert ist.

Um bei einem Fahrzeug einen besseren Fahrkomfort zu erzielen, sollte die Dämpfungskraft der Schwingungsdämpfer am Fahrzeug in Abhängigkeit von den Straßenzuständen verändert werden können. Dazu ist es erforderlich, die während der Fahrt entstehenden Schwingungen des Fahrzeugkörpers oder einzelner bewegter Teile desselben zu erfassen.

Zur Erfassung mechanischer Schwingungen sind u. a. piezoelektrische Beschleunigungsaufnehmer geeignet, wie in der Patentschrift DE-PS 7 47 008 an Hand einer möglichen Bauform gezeigt.

Eine weitere Möglichkeit der Erfassung von mechanischen Schwingungen sind in den deutschen Offenlegungsschriften DE 38 23 430 A1 und DE 39 38 304 A1 vorgeschlagen worden. Die während der Fahrt sich ändernden Druckverhältnisse in den Fluidkammern eines Schwingungsdämpfers werden durch Drucksensoren ermittelt und dienen als Vorgabe für eine Dämpfungskraftstelleinrichtung.

Die aus dem Stand der Technik bekannten Sensoren zur Messung der sich während der Fahrt änderndenden Druckverhältnisse in den Fluidkammern eines Schwingungsdämpfers weisen den Nachteil auf, daß sie lediglich den Druck als indirekte Meßgröße für eine Beschleunigung erfassen können. Da das im Schwingungsdämpfer befindliche Hydrauliköl insbesonders Druckspitzen - die durch hohe Beschleunigungswerte erzeugt werden - dämpft, werden insbesonders höherfrequente Schwingungen, wie z. B. Vibrationen des Fahrzeugkörpers oder einmalige Impulse, wie sie z. B. beim Fahren durch ein Schlagloch auftreten, nur unvollständig erfaßt.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, einen in ein Fahrzeugschwingungsdämpfer integrierbaren Sensor zu schaffen, der auch höherfrequente Schwingungen oder einzelne, höherfrequente Impulse erfaßt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen piezoelektrischen Beschleunigungsaufnehmer mit den Merkmalen nach Patentanspruch gelöst. Danach weist der Beschleunigungsaufnehmer eine Membran mit einem flachen, ringförmigen plattenabschnitt und Flansche auf, die sich von dem Plattenabschnitt nach oben erstrecken, eine piezoelektrische Vorrichtung, die am flachen Plattenabschnitt benachbart zu jedem Flansch befestigt ist und eine ringförmige Gehäusewand, an der die Membran fixiert ist.

Durch die geringe Masse und durch die hohe Federsteife dieser Konstruktion hat das schwingfähige Feder-Masse-System eine hohe Eigenfrequenz. Somit weist der piezoelektrische Beschleunigungsaufnehmer die gewünschte hohe Grenzfrequenz zur Erfassung von höherfrequenten Schwingungen des Fahrzeugkörpers oder einmaliger Impulse auf. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbei­ spiels in Verbindung mit den Zeichnungen einzelnen erläu­ tert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Vertikalschnitt durch einen Schwingungs­ dämpfer mit dem piezoelektrischen Beschleuni­ gungsaufnehmer und veränderlicher Dämpfungs­ kraft;

Fig. 2 eine schematische perspektivische Ansicht eines mit Schwingungsdämpfern der in Fig. 1 dargestellten Konstruktion ausgerüsteten Fahrzeuges; und

Fig. 3 einen Schnitt durch den in den Schwingungs­ dämpfer der Fig. 1 eingebauten Be­ schleunigungssensor.

Wie in Fig. 2 gezeigt, sind Schwingungs- oder bandläufig Stoßdämpfer SA zwischen der Karosserie BD und den Rädern WH eines Kraftfahrzeuges mon­ tiert, um die Stoßbelastungen zu absorbieren, mit denen die Karosserie BD beaufschlagt wird.

Fig. 1 zeigt einen Stoßdämpfer mit einem piezoelektrischen Be­ schleunigungsaufnehmer, der das erfindungsgemäße Konzept verwirk­ licht. Dieser Stoßdämpfer ist mit einem Zylinder 11 ver­ sehen, der mit einem entsprechenden Rad verbunden ist. Eine erste Kolbenstange 12, die mit der Karosserie des Fahrzeuges verbunden ist, und eine zweite Kolbenstange 13, die mit der ersten Stange 12 verschraubt ist, sind im Zylinder 11 mon­ tiert, so daß sie sich axial zu diesem erstrecken. Die erste und zweite Kolbenstange 12 und 13 besitzen jeweils eine zylindrische Form.

Ein Kolben 14 ist am Außenumfang der zweiten Kolbenstange 13 montiert, so daß er in flüssigkeitsdichter Weise im Zylinder 11 gleiten kann. Dieser Kolben 14 unterteilt das Innere des Zylinders 11 in eine erste Hydraulikkammer 15a und eine zweite Hydraulikkammer 15b. Der Zylinder 11 ist in einem äußeren Zylinder 11a aufgenommen und wirkt mit diesem äuße­ ren Zylinder 11a zur Ausbildung einer Speicherkammer 15c zu­ sammen. Ventile 16 und 17 sind an der oberen Endfläche und an der unteren Endfläche des Kolbens 14 montiert. Das Ventil 16 wird immer durch die Federwirkung des Ventiles selbst nach unten gedrückt. Durch das Ventil 16 kann das Betriebsöl nur von der zweiten Hydraulikkammer 15b durch einen Kanal 14a, der im Kolben 14 ausgebildet ist, zur ersten Hydraulik­ kammer 15a fließen. Das Ventil 17 wird am oberen Ende einer Feder 18 nach oben gedrückt. Hierdurch kann das Betriebsöl nur von der ersten Hydraulikkammer 15a über einen im Kolben 14 ausgebildeten Kanal 14b zur zweiten Hydraulikkammer 15b fließen. Das untere Ende der Feder 18 wird durch eine Mutter 21 gelagert, die mit der äußeren unteren Endfläche der zwei­ ten Kolbenstange 13 verschraubt ist. Jeder der Ölkanäle einschließlich der Ventile 16, 17 und der Kanäle 14a, 14b bildet eine Öffnung.

Ein Drehventil 22 wird drehbar an der Innenfläche der zweiten Kolbenstange 13 gehalten und bildet eine Dämpfungs­ kraftveränderungseinrichtung. Drei Sätze von Öffnungen 22a, 22b und 22c erstrecken sich durch das Drehventil 22 und sind in drei unterschiedlichen Höhen angeordnet. Diese Sätze von Öffnungen besitzen unterschiedliche Durchmesser. Die Öffnun­ gen eines jeden Satzes sind mit gleichmäßigen Umfangsabstän­ den voneinander angeordnet. Drei Paare von Löchern 13a, 13b und 13c sind in der zweiten Kolbenstange 13 auf den gleichen Höhen wie die drei Sätze der Öffnungen 22a, 22b und 22c aus­ gebildet. Wenn sich das Drehventil 22 in irgendeiner vorge­ gebenen Winkelstellung befindet, weisen die inneren Enden der Löcher 13a, 13b und 13c auf ihre entsprechenden Öffnun­ gen der drei Sätze der Öffnungen 22a, 22b und 22c. Das äußere Ende des Lochs 13a öffnet sich in die erste Hydrau­ likkammer 15a. Die äußeren Enden der Löcher 13b und 13c sind mit den inneren Enden von Ölkanälen 23a verbunden, die im zylindrischen Element 23 ausgebildet sind, das fest an der Außenfläche der zweiten Kolbenstange 13 montiert ist. Der mit dem Loch 13b verbundene Ölkanal ist nicht gezeigt. Ein Rückschlagventil 24 ist an den äußeren Enden der Ölkanäle 23a montiert. Dieses Rückschlagventil 24 ist zwischen der oberen Endfläche des zylindrischen Elementes 23 und der zweiten Kolbenstange 13 montiert und wird durch die Wirkung einer Feder (nicht gezeigt) immer nach unten vorgespannt, damit das Betriebsöl nur aus den Ölkanälen 23a zur ersten Hydraulikkammer 15a strömen kann.

Der Öffnungsbereich des zwischen der ersten Hydraulikkammer 15a und der zweiten Hydraulikkammer 15b montierten Ventils kann in Abhängigkeit von den Kombinationen der geöffneten Sätze aus den drei Sätzen von Öffnungen 22a, 22b, 22c ent­ sprechend der Winkelstellung des Drehventils 22 zwischen einer Vielzahl von Werten geschaltet werden. Beim vorlie­ genden Ausführungsbeispiel kann die Öffnungsfläche zwischen drei unterschiedlichen Werten umgeschaltet werden. Mit anderen Worten, die Dämpfungskraft dieses Stoßdämpfers kann zwischen drei unterschiedlichen Werten geschaltet werden. Die Dämpfungskraft des Verlängerungsabschnittes des Stoß­ dämpfers, d. h. der ersten und zweiten Kolbenstange 12, 13, die sich relativ zum Zylinder 11 in diesem Abschnitt nach oben bewegen, wird größer gemacht als die Dämpfungskraft des Verkürzungsabschnittes des Stoßdämpfers, d. h. der sich in diesem Abschnitt relativ zum Zylinder 11 nach unten bewe­ genden Stangen 12 und 13, wobei dies durch das Rückschlag­ ventil 24 erreicht wird.

Eine Welle 25, die sich zusammen mit dem Drehventil 22 dreht, ist an ihrem unteren Ende mit dem oberen Ende des Ventils 22 verbunden. Die Welle 25 wird in der ersten Kol­ benstange 12 gehalten, so daß sie um die Achse drehbar ist. Ein Permanentmagnet 26 ist an der Außenfläche der Welle 25 befestigt. Die Joche 27 aus magnetischem Material sind an der Innenfläche der ersten Kolbenstange 12, die dem Magneten 26 gegenüberliegt, fest montiert. Wicklungen 31 sind um die Joche 27 mit Hilfe von Harzelementen 28 ausgebildet. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind vier Joche 27 vorgesehen. Auch die Zahl der Wicklungen 31 beträgt vier. Diese Joche 27 und Wicklungen 31 sind entlang der Innenfläche der ersten Kolbenstange 12 angeordnet. Die Winkellagen des Permanent­ magneten 26 und der Welle 25 werden in Abhängigkeit von der Erregung der Wicklungen bzw. Spulen 31 bestimmt. Über der ersten Kolbenstange 12 ist ein Raum 40 ausgebildet, in dem ein Beschleunigungssensor 41 angeordnet ist. Der Sensor 41 ist mit einem Klemmelement 42 fixiert, das mit dem Innen­ zylinder der ersten Kolbenstange 12 verschraubt ist.

Der Beschleunigungssensor 41 wird in Verbindung mit Fig. 3 erläutert. Der Sensor 41 umfaßt ein erstes Gehäuse 41a, ein zweites Gehäuse 41b und eine Membran 43, die zwischen diesen beiden Gehäusen gehalten wird. Die Membran 43, die vibriert, umfaßt einen flachen ringförmigen Plattenabschnitt und Flansche 43a, die sich von dem flachen Plattenabschnitt nach oben erstrecken. Eine piezoelektrische Vorrichtung 45 ist am flachen Plattenabschnitt benachbart zu jedem Flansch 43a be­ festigt. Eine Elektrode (nicht gezeigt) ist an der Vor­ richtung 45 ausgebildet. Eine Ausgangsleitung 46 ist an die Elektrode und auch an eine Klemme 46 angeschlossen, die wiederum mit einer Ausgangsleitung 47 in Verbindung steht. Diese Ausgangsleitung 47 ist an eine elektrische Steuerein­ heit (ECU) angeschlossen.

Wenn Vibrationen von der Straßenoberfläche auf den Stoß­ dämpfer übertragen werden, wird aufgrund des piezoelek­ trischen Effektes eine elektrische Spannung über der piezo­ elektrischen Vorrichtung 45 erzeugt. Die erzeugte Spannung wird durch einen Verstärker, der in der ECU angeordnet ist, verstärkt und dann von einer Dämpfungskraftsteuerschaltung verarbeitet, um ein Steuersignal für das Drehventil 22 zu erzeugen. Das Drehventil 22 wird in Abhängigkeit von diesem Steuersignal betätigt, um die Verbindung zwischen der ersten und zweiten Hydraulikkammer 15a, 15b zu steuern und somit die Schwingungen der Kraftfahrzeugkarosserie, die durch Un­ regelmäßigkeiten der Straßenoberfläche verursacht werden, schnell zu einem Ende zu bringen.

Es wird nunmehr die Funktionsweise des in der vorstehend be­ schriebenen Weise ausgebildeten Stoßdämpfers erläutert. Wenn ein äußeres Signal ansteht, um irgendeine der Wicklungen oder Spulen 31 zu erregen, wird das entsprechende Joch 27 des Stoßdämpfers erregt. Da der Permanentmagnet 26 vom erregten Joch 27 elektromagnetisch angezogen oder abgestoßen wird, dreht sich der Magnet in eine vorgegebene Winkellage. Folg­ lich wird die Dämpfungskraft des Stoßdämpfers in Abhängig­ keit von der Winkellage des Drehventils 22 in der bereits beschriebenen Weise auf einen anderen Wert umgeschaltet.

Bei dieser neuartigen Konstruktion wird das Drehventil 22 in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal des Beschleunigungssen­ sors 41 betätigt. Mit anderen Worten, die vom Stoßdämpfer erzeugte Dämpfungskraft wird in Abhängigkeit von der vom Sensor 41 erfaßten Beschleunigung gesteuert.

Bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel bildet das Drehventil die Dämpfungskraftänderungseinrichtung. Diese Dämpfungskraftänderungseinrichtung kann jedoch auch durch einen Stapel von piezoelektrischen Vorrichtungen gebildet werden, die sich in Abhängigkeit von einer sich ändernden elektrischen Spannung verkürzen oder verlängern.

Wie vorstehend erläutert, erfaßt der neuartige Stoßdämpfer, der seine Dämpfungskraft ändern kann, somit in rascher Weise über den Beschleunigungssensor Unregelmäßigkeiten in der Straßenoberfläche. Daher kann der Stoßdämpfer die Dämpfungskraft in Abhängigkeit vom Zustand der Straßenober­ fläche schnell steuern. Es wird somit ein optimaler Fahrkom­ fort erreicht.

Erfindungsgemäß wird somit ein Beschleunigungssensor für einen Stoßdämpfer für ein Kraft­ fahrzeug vorgeschlagen. Der Stoßdämpfer umfaßt einen Zylinder, einen gleitend im Zylinder geführten Kolben, zwei Hydraulik­ kammern, die durch den Kolben innerhalb des Zylinders von­ einander getrennt sind, einen Kanal, über den die beiden Kammern miteinander in Verbindung stehen können, ein Dreh­ ventil, mit dem die Fläche dieses Kanales verändert werden kann, einen im Zylinder angeordneten Beschleunigungssensor und eine elektronische Steuereinheit. Die elektronische Steuereinheit steuert das Drehventil in Abhängigkeit von der vom Sensor erfaßten Beschleunigung. Der Sensor besitzt eine vibrierende Membran und eine piezoelektrische Vorrichtung.

Claims (3)

1. Piezoelektrischer Beschleunigungsaufnehmer für die Steuerung einstellbarer Schwingungsdämpfer mit folgenden Merkmalen:

• - eine Membran (43) weist einen flachen, ringförmigen Plattenabschnitt und Flansche (43a) auf, die sich von dem Plattenabschnitt nach oben erstrecken,
• - eine piezoelektrische Vorrichtung (45) ist am flachen Plattenabschnitt benachbart zu jedem Flansch (43a) befestigt,
• - die Membran (43) ist an einer ringförmigen Gehäusewand (41a, 41b) fixiert.

2. Piezoelektrischer Beschleunigungsaufnehmer nach Patentanspruch 1, wobei sich die Flansche (43a) nach beiden Seiten erstrecken.

3. Piezoelektrischer Beschleunigungsaufnehmer nach Patentanspruch 1, wobei die Membran (43) von einem Gehäuse umschlossen ist.