WO2007017022A1 - Luftfeder mit ultraschall-höhenmesseinrichtung - Google Patents

Luftfeder mit ultraschall-höhenmesseinrichtung Download PDF

Info

Publication number
WO2007017022A1
WO2007017022A1 PCT/EP2006/006536 EP2006006536W WO2007017022A1 WO 2007017022 A1 WO2007017022 A1 WO 2007017022A1 EP 2006006536 W EP2006006536 W EP 2006006536W WO 2007017022 A1 WO2007017022 A1 WO 2007017022A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
air spring
ultrasonic
transducer elements
transducer
height
Prior art date
Application number
PCT/EP2006/006536
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Siegfried Reck
Original Assignee
Contitech Luftfedersysteme
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Contitech Luftfedersysteme filed Critical Contitech Luftfedersysteme
Publication of WO2007017022A1 publication Critical patent/WO2007017022A1/de

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F9/00—Springs, vibration-dampers, shock-absorbers, or similarly-constructed movement-dampers using a fluid or the equivalent as damping medium
    • F16F9/02—Springs, vibration-dampers, shock-absorbers, or similarly-constructed movement-dampers using a fluid or the equivalent as damping medium using gas only or vacuum
    • F16F9/04—Springs, vibration-dampers, shock-absorbers, or similarly-constructed movement-dampers using a fluid or the equivalent as damping medium using gas only or vacuum in a chamber with a flexible wall
    • F16F9/05—Springs, vibration-dampers, shock-absorbers, or similarly-constructed movement-dampers using a fluid or the equivalent as damping medium using gas only or vacuum in a chamber with a flexible wall the flexible wall being of the rolling diaphragm type
    • F16F9/052—Springs, vibration-dampers, shock-absorbers, or similarly-constructed movement-dampers using a fluid or the equivalent as damping medium using gas only or vacuum in a chamber with a flexible wall the flexible wall being of the rolling diaphragm type characterised by the bumper
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60G—VEHICLE SUSPENSION ARRANGEMENTS
    • B60G11/00—Resilient suspensions characterised by arrangement, location or kind of springs
    • B60G11/26—Resilient suspensions characterised by arrangement, location or kind of springs having fluid springs only, e.g. hydropneumatic springs
    • B60G11/27—Resilient suspensions characterised by arrangement, location or kind of springs having fluid springs only, e.g. hydropneumatic springs wherein the fluid is a gas
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60G—VEHICLE SUSPENSION ARRANGEMENTS
    • B60G17/00—Resilient suspensions having means for adjusting the spring or vibration-damper characteristics, for regulating the distance between a supporting surface and a sprung part of vehicle or for locking suspension during use to meet varying vehicular or surface conditions, e.g. due to speed or load
    • B60G17/015—Resilient suspensions having means for adjusting the spring or vibration-damper characteristics, for regulating the distance between a supporting surface and a sprung part of vehicle or for locking suspension during use to meet varying vehicular or surface conditions, e.g. due to speed or load the regulating means comprising electric or electronic elements
    • B60G17/019—Resilient suspensions having means for adjusting the spring or vibration-damper characteristics, for regulating the distance between a supporting surface and a sprung part of vehicle or for locking suspension during use to meet varying vehicular or surface conditions, e.g. due to speed or load the regulating means comprising electric or electronic elements characterised by the type of sensor or the arrangement thereof
    • B60G17/01933—Velocity, e.g. relative velocity-displacement sensors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60G—VEHICLE SUSPENSION ARRANGEMENTS
    • B60G2202/00—Indexing codes relating to the type of spring, damper or actuator
    • B60G2202/10—Type of spring
    • B60G2202/15—Fluid spring
    • B60G2202/152—Pneumatic spring
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60G—VEHICLE SUSPENSION ARRANGEMENTS
    • B60G2204/00—Indexing codes related to suspensions per se or to auxiliary parts
    • B60G2204/10—Mounting of suspension elements
    • B60G2204/11—Mounting of sensors thereon
    • B60G2204/111—Mounting of sensors thereon on pneumatic springs
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60G—VEHICLE SUSPENSION ARRANGEMENTS
    • B60G2400/00—Indexing codes relating to detected, measured or calculated conditions or factors
    • B60G2400/20—Speed
    • B60G2400/202—Piston speed; Relative velocity between vehicle body and wheel
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60G—VEHICLE SUSPENSION ARRANGEMENTS
    • B60G2400/00—Indexing codes relating to detected, measured or calculated conditions or factors
    • B60G2400/25—Stroke; Height; Displacement
    • B60G2400/252—Stroke; Height; Displacement vertical
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60G—VEHICLE SUSPENSION ARRANGEMENTS
    • B60G2401/00—Indexing codes relating to the type of sensors based on the principle of their operation
    • B60G2401/17—Magnetic/Electromagnetic
    • B60G2401/176—Radio or audio sensitive means, e.g. Ultrasonic

Definitions

  • the invention relates to an air spring - in particular for supporting the structures of a motor vehicle -, wherein the spring height, according to the preamble of claim 1, with the aid of an ultrasonic transit time measurement method can be determined. Moreover, the invention relates to an air spring with a device for carrying out the method, - according to the preamble of claim 5.
  • An air spring usually has except one bellows (rolling bellows or bellows) two distance variable mutually arranged end members, wherein one of the two end members is chassisrochrex and the other end member is to be attached to the wheel side.
  • one of the two end members is a rolling piston, while the other end member is a (air spring) cover.
  • the distance between the two end links and the spring height are determined.
  • two ultrasound transducers namely, a transmitter and a receiver
  • the necessary electrical leads to one of the air spring end members for the determination of the spring height is preferably according to the pulse echo method, wherein at one the end members a transmitter / receiver and on the other end member only a reflector is to install.
  • the transmitter / receiver unit is preferably installed off-center on the relevant end member.
  • a single piezoceramic transducer is used to determine the spring height.
  • the shape of the sound lobe is essentially predetermined by the diameter of the sound transducer and its operating frequency.
  • the transducer within the air spring must be accurately aligned. Especially with eccentric arrangement of the converter must be tilted and rotated about the vertical axis of the spring. Decisive for the inclination and rotation angle is the kinematics of the air spring (see Fig. 2).
  • the reflector arranged on the air spring piston must have a certain shape in order to always be able to throw back an echo to the sound transducer (see, for example, DE 196 48 112 C1).
  • the object of the invention essentially solved with claim 1 is to ensure a reliable and accurate height determination in air springs with eccentrically arranged ultrasonic transit time transmitter and / or receiver.
  • the ultrasound beam Due to its pivoting ability, the ultrasound beam can be aligned precisely to a reflector or a receiver, regardless of the currently available spring height. Since always the same reference point for the height determination can be targeted, thus results in an excellent reproducibility of the measurement results. Also, the beam direction can be adjusted so that always the maximum possible strength of the signal to be sensed is achieved. In this way results in the measurements to be performed an optimal Störthesesabstand.
  • the position of the transducer in the air spring can be largely freely selected. In eccentric arrangement of the transducer, a usual tendency of the ultrasonic assembly is no longer necessary.
  • the pivotability of the measuring beam according to the invention is not only practicable for transmitters and receivers spaced apart from one another, but preferably also for transit time measuring methods according to the pulse / echo method.
  • the air spring ultrasonic unit has a so-called multiple sound transducer, which consists of a one- or two-dimensional field regularly arranged transducer elements.
  • the transducer elements are arranged equidistant from each other, wherein the lattice constant d (that is, the distance between each two mutually adjacent transducer elements) about the same order of magnitude as the ultrasonic wavelength ⁇ has, and that the phase difference or
  • Time delay between the electrical control of two mutually adjacent transducer elements is constant. In this case, ideally results in an almost flat wavefront of the beam.
  • the phase relationship at the individual transducer elements initially depends on the electrical signals applied to the transducer elements; in addition, the electrical impedance of the input circuit, the electro-acoustic impedance of the transducers and the acoustic impedance of the coupled to the respective converter air of the air spring interior (acoustical load).
  • the mutually adjacent impedances can be regarded as equal in first approximation.
  • peripheral transducer elements are coupled only on one side with neighboring elements, lower coupling impedances result at the peripheral transducer elements, which has the consequence that an impedance-related phase shift is lower edge, which has a marginal blurring of the emitted wave bundle result.
  • an edge-side phase correction is proposed according to the invention.
  • a "concave phase structure" can be set, resulting in a concave wavefront and thus focusing of the radiation beam.If this focus is adjusted to the distance to be measured, highly accurate measurement results are achieved.
  • the elements of the sound transducer are preferably formed as so-called “capacitive micromachined ultrasonic transducers” (CMUT) .
  • CMUT capacitive micromachined ultrasonic transducers
  • SOI silicon on insulator
  • a field of transducer elements made in this way takes up less space than a conventional piezoceramic single transducer.
  • FIG. 1 shows an inventive air spring in longitudinal section.
  • Fig. 2 is a comparable air spring, as it is already known from the prior art, also in longitudinal section;
  • the conventional air spring 202 shown in longitudinal section in FIG. 2 is a rolling-bellows air spring, which consists essentially of a rolling bellows 204, the interior 206 of which is closed at both ends in each case by a pneumatic spring end element 208, 210.
  • the one end member 208 is an air spring cover, which is fixed in the present case to a support member 212 on the chassis side.
  • the other end member 210 is a wheel side mounted rolling piston.
  • the air spring 202 with the basic structure known per se has an ultrasonic arrangement 214, 216 for determining the spring height.
  • This ultrasonic arrangement 214, 216 which consists essentially of an ultrasonic transmitter / receiver unit 214 mounted on the air spring cover 208 and a reflector 216 arranged on the rolling piston 210, works according to the pulse / echo method.
  • the air spring cover 208 is centered, d. H. axially attached to the vehicle chassis (not shown).
  • the ultrasonic transmitter / receiver assembly 214 is arranged eccentrically on the air spring cover 208 at a certain angle ⁇ . In this case, the angle ⁇ is selected so that the ultrasound beam 218 at medium spring height optimally falls onto the reflector 216 mounted centrally on the rolling piston 210.
  • the inventive air spring 2 which is shown in Fig. 1 - also in longitudinal section - has a comparable basic structure.
  • This air spring 2 consists essentially of rolling bellows 4, air spring cover 8 and rolling piston 10, which together enclose an air spring interior 6, and wherein the air spring cover 8 is also secured by means of a support member 12 chassis wherfer.
  • the air spring height results from the clear distance between the air spring cover 8 and Anrollkolben 10, which serve as a variable distance to each other arranged Beerfederendglieder.
  • a bellows air spring is conceivable instead of a rolling bellows air spring.
  • an ultrasound beam 18 to be emitted by an ultrasound transducer 20 of the transmitter / receiver unit 14 can be pivoted by an angle ⁇ .
  • the inclination of the ultrasound beam is always set and adjusted so that at each spring height optimum reflection on the reflector 16 is given.
  • the trained as a transmitter / receiver ultrasonic transducer 20 consists of a one- or two-dimensional array of transducer elements 20, and 20 ,, which are arranged equidistant from each other in a plane plane.
  • the distance d between each two mutually adjacent transducer elements 2O 1 , 20 1+] , 2O 1 + 2 , ... is called lattice constant. (Not shown) from an electronic supply unit is an electric control of the transducer elements 2O. 1 It is essential to the invention that in each case one delay element 22a, 22b,... Is interposed between the electronic supply unit and the converter elements 2O 1 to be controlled.
  • the delay elements cause a time or phase shift, the amount of each of which is constant in ascending order from one to the next transducer element (eg: O ⁇ , l ⁇ , 2 ⁇ , 3 ⁇ , 4 ⁇ ), where ⁇ a certain predetermined time unit (or Phase) ( Figure 3 a).
  • the pivoting of the beam 18 is not carried out here by phase or time delay between adjacent elements 2O 1 , 2O 1 + I1 ⁇ •• but by a to all transducer elements 20, simultaneously applied frequency sweep.
  • a broadband (“white”) spectrum can be emitted, the selection then being carried out on the receiver side using a frequency sweep filter.
  • Fig. 2 (prior art): 202 air spring, rolling bellows air spring 204 rolling bellows 206 (air spring) interior

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)
  • Length Measuring Devices Characterised By Use Of Acoustic Means (AREA)

Abstract

Verfahren zur Messung der Federhohe in einer Luftfeder, die im Wesentlichen aus einem Balg (4) und zwei abstandsvariabel zueinander angeordneten Endgliedern (8, 10) besteht und Luftfeder mit einer solchen Messeinrichtung. Die Höhenmessung wird nach einem Ultraschall-Laufzeit-Messverfahren mit Hilfe einer Ultraschall-Anordnung durchgeführt, bei dem an einem (8 oder 10) der beiden Endglieder (8, 10) vorzugsweise eine Sender/Empfanger-Baueinheit (14) und an dem anderen (10 oder 8) der beiden Endglieder (8, 10) ein Reflektor (10) angeordnet ist. Zur Gewährleistung einer zuverlässigen und genauen Höhenbestimmung insbesondere bei außermittig angeordneter Sender/Empfänger-Baueinheit (14) wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass das auszusendende Ultraschall-Strahlenbündel - vorzugsweise elektronisch - verschwenkbar ist. Zu diesem Zweck besteht der Ultraschall-Wandler (20) aus einem ein- oder zweidimensionalen Feld von Wandler-Elementen (20i bzw. 20ij) wobei durch Vorgabe einer festen Phasen- oder Zeitdifferenz (T) zwischen der elektrischen Ansteuerung jeweils zweier zueinander benachbarter Wandler-Elemente (20i 20,j+1) ein bestimmter, zeitlich konstanter Strahlwinkel (φ) einstellbar ist, und wobei durch Einstellung einer zeitlich variablen Phasen- oder Zeitdifferenz (T) zwischen der elektrischen Ansteuerung jeweils zweier zueinander benachbarter Wandler-Elemente (20i bzw. 20ij) de Ultraschallstrahl (18) schwenkbar ist.

Description

Beschreibung
Luftfeder mit Ultraschall-Höhenmesseinrichtung
Die Erfindung betrifft eine Luftfeder - insbesondere zur Abstützung der Aufbauten eines Kraftfahrzeugs -, wobei die Federhöhe, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 , mit Hilfe eines Ultraschall-Laufzeitmessverfahrens bestimmbar ist. Außerdem betrifft die Erfindung eine Luftfeder mit einer Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens, - gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 5.
Eine Luftfeder weist üblicherweise außer einen Balg (Rollbalg oder Faltenbalg) zwei abstandsvariabel zueinander angeordnete Endglieder auf, wobei eines der beiden Endglieder chassisseitig und das andere Endglied radseitig zu befestigen ist. Im Fall einer Rollbalg-Luftfeder ist das eine der beiden Endglieder ein Abrollkolben, während das andere Endglied ein (Luftfeder-)Deckel ist.
Mit Hilfe von Ultraschall-Laufzeitmessungen wird der zwischen den beiden Endgliedern momentan jeweils vorhandene lichte Abstand und damit die Federhöhe bestimmt. Um für die Bestimmung der Federhöhe nicht zwei Ultraschall-Wandler (nämlich einen Sender und einen Empfänger) sowie die dafür erforderlichen elektrischen Zuleitungen jeweils an einem der Luftfeder-Endglieder anbringen zu müssen, wird bevorzugt nach der Impuls- Echo-Methode verfahren, wobei an einem der Endglieder ein Sender/Empfänger und an dem anderen Endglied lediglich ein Reflektor anzubringen ist.
Um zu vermeiden, dass Querkräfte an der Luftfeder angreifen können, erfolgt die
Befestigung der Luftfeder jeweils mittig. Wegen der damit gegebenen Bauraumknappheit wird die Sender/Empfanger-Einheit schon aus Gründen der Montagefreundlichkeit vorzugsweise außermittig an dem betreffenden Endglied installiert.
Bei dem in der DE 198 11 982 Al beschriebenen Ultraschall-Laufzeitmessverfahren wird zur Bestimmung der Federhöhe ein einzelner piezokeramischer Schallwandler verwendet. Dabei ist die Form der Schallkeule im Wesentlichen durch den Durchmesser des Schallwandlers und dessen Arbeitsfrequenz vorgegeben.
Damit das Laufzeitverfahren funktioniert und unter allen Betriebsbedingungen der Luftfeder ein verwertbares Echo erhalten werden kann, muss der Schallwandler innerhalb der Luftfeder genau ausgerichtet werden. Besonders bei außermittiger Anordnung muss der Wandler geneigt und um die Hochachse der Feder gedreht werden. Maßgeblich für den Neigungs- und Drehungswinkel ist die Kinematik der Luftfeder (siehe Fig. 2).
Außerdem muss der am Luftfederkolben angeordnete Reflektor eine bestimmte Form aufweisen, um stets ein Echo zum Schallwandler zurückwerfen zu können (siehe z. B. DE 196 48 112 Cl).
Aufgabe der Erfindung
Die mit Anspruch 1 im Wesentlichen gelöste Aufgabe der Erfindung besteht darin, bei Luftfedern mit außermittig angeordnetem Ultraschall-Laufzeitmess-Sender und/oder -Empfänger eine zuverlässige und genaue Höhenbestimmung zu gewährleisten.
Lösung und Vorteile
Aufgrund seiner Schwenkbarkeit kann der Ultraschallstrahl unabhängig von der jeweils momentan vorliegenden Federhöhe punktgenau auf einen Reflektor bzw. einen Empfänger ausgerichtet werden. Da stets derselbe Bezugspunkt für die Höhenbestimmung angepeilt werden kann, ergibt sich somit eine vortreffliche Reproduzierbarkeit der Messergebnisse. Auch kann die Strahlrichtung derartig nachgestellt werden, dass stets die maximal mögliche Stärke des zu sensierenden Signals erzielt wird. Auf diese Weise ergibt sich bei den durchzuführenden Messungen ein optimaler Störspannungsabstand. Die Position des Schallwandlers in der Luftfeder kann weitgehend frei gewählt werden. Bei außermittiger Anordnung des Wandlers ist eine sonst übliche Neigung der Ultraschall- Baueinheit nicht mehr notwendig.
Da eine mechanische Verschwenkbarkeit des Ultraschallwandlers nicht trägheitslos realisierbar ist, wird vorzugsweise eine elektronische Verschwenkbarkeit der „Schallkeule" vorgeschlagen.
Auch bei einer außermittig angeordneten und axial ausgerichteten Sender/Empfänger- Baueinheit ist es aufgrund der elektronischen Verschwenkbarkeit ohne weiteres möglich, einen geneigten Strahl zu erzeugen.
Die erfindungsgemäße Verschwenkbarkeit des Messstrahles ist nicht nur für voneinander beabstandete Sender und Empfänger praktikabel sondern vorzugsweise auch für Laufzeitmessverfahren nach der Impuls/Echo-Methode.
Bei Vorversuchen hat sich gezeigt, dass bei Anwendung eines Impuls/Echo- Verfahrens auf einen speziellen Reflektor verzichtet werden kann. Aufgrund der Schwenkbarkeit kann sich der Ultraschallstrahl (die „Schallkeule") stets ein geeignetes Gegenüber als tatsächlichen Reflektor aussuchen. Unter Berücksichtigung der diesbezüglichen Strahlneigung wird dann die Federhöhe ohne einen speziellen Reflektor rechnerisch ermittelt.
Die Luftfeder-Ultraschallbaueinheit weist einen sogenannten multiplen Schallwandler auf, der aus einem ein- oder zweidimensionalen Feld regelmäßig angeordneter Wandler- Elemente besteht.
Bei einem eindimensionalen Feld von Wandler-Elementen (Punkreihe oder Strichgitter) ist eine eindimensionale Verschwenkbarkeit möglich. Mit Hilfe von zweidimensionalen Punktgittern kann eine räumliche Abtastung des Luftfederinnenraums durchgeführt werden.
Durch eine feste Phasen- bzw. Zeitdifferenz zwischen der elektrischen Ansteuerung von jeweils zwei zueinander benachbarten Wandler-Elementen kann ein bestimmter, zeitlich konstanter Strahlwinkel eingestellt werden. Bei Verwendung einer zeitlich variablen Phasen- bzw. Zeitdifferenz zwischen der elektrischen Ansteuerung von jeweils zwei zueinander benachbarten Wandler-Elementen kann der Ultraschallstrahl (die „Schallkeule") geschwenkt werden. D. h.: Das Innere der Luftfeder kann dynamisch abgetastet werden, indem der Winkel φ der Schallkeule kontinuierlich verändert wird.
Einfach reproduzierbare Ergebnisse erzielt man, wenn die Wandler-Elemente äquidistant zueinander angeordnet sind, wobei die Gitterkonstante d (das ist der Abstand zwischen jeweils zwei zueinander benachbarten Wandler-Elementen) etwa dieselbe Größenordnung wie die Ultraschallwellenlänge λ aufweist, und dass die Phasendifferenz bzw. die
Zeitverzögerung zwischen der elektrischen Ansteuerung von jeweils zwei zueinander benachbarten Wandler-Elementen konstant ist. In diesem Fall ergibt sich im Idealfall eine nahezu ebene Wellenfront des Strahlenbündels.
Die Phasenlage an den einzelnen Wandler-Elementen hängt zunächst von den an die Wandler-Elemente angelegten elektrischen Signalen ab; darüber hinaus von der elektrischen Impedanz des Eingangskreises, von der elektroakustischen Impedanz der Wandler und von der akustischen Impedanz der an die jeweiligen Wandler angekoppelten Luft des Luftfederinnenraums (acoustical load). Die jeweils zueinander benachbarten Impedanzen können in erster Näherung als gleichgroß angesehen werden. Zusätzlich zu den genannten Impedanzen gibt es Wechselimpedanzen (Koppelimpedanzen) zwischen den zueinander benachbarten Wandlerelementen und zwischen den zueinander benachbarten Bereichen der an die Wandler-Elemente akustisch angekoppelten Luft. Da die randseitigen Wandler-Elemente lediglich einseitig mit Nachbar-Elementen verkoppelt sind, ergeben sich an den randseitigen Wandler-Elementen geringere Koppelimpedanzen, was zur Folge hat, dass randseitig eine impedanzbedingte Phasenverschiebung geringer ist, was eine randseitige Unscharfe des abgestrahlten Wellenbündels zur Folge hat. Um diesem Zerlaufen der Strahlungsränder entgegenzuwirken, wird erfindungsgemäß eine randseitige Phasenkorrektur vorgeschlagen.
Anstelle einer lediglich randseitigen Phasenkorrektur (oder zusätzlich) kann eine „konkave Phasenstruktur" eingestellt werden, wodurch sich eine konkave Wellenfront und damit eine Fokussierung des Strahlenbündels ergibt. Wird diese Fokussierung auf den zu messenden Abstand eingestellt, so werden hochpräzise Messergebnisse erzielt.
Die Elemente des Schallwandlers werden vorzugsweise als sogenannten „capacitive micromachined ultrasonic transducer" ((CMUT) gebildet. Diese mikromechanischen Elemente, die zum Teil aus Halbleitermaterial bestehen, werden in einem sogenannten SOI-Prozess (Silicon on Isolator) hergestellt. Dabei handelt es sich um winzige, kapazitive Elemente, bei denen eine Membran durch Anlegen einer Spannung bewegt wird. Ein Feld derartig hergestellter Wandler-Elemente nimmt weniger Platz ein als ein herkömmlicher piezokeramischer Einzelwandler.
Zeichnungen
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beigefügten
Zeichnungen erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Luftfeder im Längsschnitt;
Fig. 2 eine vergleichbare Luftfeder, wie sie aus dem Stand der Technik vorbekannt ist, ebenfalls im Längsschnitt;
Fig. 3 zeigt die Zusammenhänge, die die Richtung des Strahlenganges der erfindungsgemäß verwendeten Ultraschall-Höhenmesseinrichtung betreffen, und zwar:
Fig. 3a mit paralleler Strahlführung, und
Fig. 3b mit fokussierter Strahlführung. Beschreibung
Die in Fig. 2 im Längsschnitt dargestellte herkömmliche Luftfeder 202 ist eine Rollbalg- Luftfeder, die im Wesentlichen aus einem Rollbalg 204 besteht, dessen Innenraum 206 beidendig jeweils von einem Luftfederendglied 208, 210 abgeschlossen ist. Das eine Endglied 208 ist ein Luftfederdeckel, der im vorliegenden Fall chassisseitig an einem Stützelement 212 befestigt ist. Das andere Endglied 210 ist ein radseitig befestigter Abrollkolben. Anstelle einer Rollbalg-Luftfeder ist auch eine Faltenbalg-Luftfeder denkbar. Die Luftfeder 202 mit dem an sich bekannten Grundaufbau weist eine Ultraschall- Anordnung 214, 216 zur Bestimmung der Federhöhe auf. Diese Ultraschall-Anordnung 214, 216, die im Wesentlichen aus einer am Luftfederdeckel 208 angebrachten Ultraschall- Sender/Empfänger-Baueinheit 214 und einem am Abrollkolben 210 angeordneten Reflektor 216 besteht, funktioniert nach der Impuls/Echo-Methode. Um mögliche, auf die Luftfeder 202 einwirkende Querkräfte zu vermeiden, ist der Luftfederdeckel 208 mittig, d. h. axial am Fahrzeug-Chassis (nicht dargestellt) befestigt. Aus diesem Grunde ist die Ultraschall-Sender/Empfänger-Baueinheit 214 unter einem bestimmten Winkel α außermittig am Luftfederdeckel 208 angeordnet. Dabei ist der Winkel α so gewählt, dass der Ultraschallstrahl 218 bei mittlerer Federhöhe optimal auf den mittig auf dem Abrollkolben 210 angebrachten Reflektor 216 fällt.
Die erfindungsgemäße Luftfeder 2, die in Fig. 1 - ebenfalls im Längsschnitt - dargestellt ist, weist einen vergleichbaren Grundaufbau auf. Auch diese Luftfeder 2 besteht im Wesentlichen aus Rollbalg 4, Luftfederdeckel 8 und Abrollkolben 10, die gemeinsam einen Luftfeder-Innenraum 6 umschließen, und wobei der Luftfederdeckel 8 ebenfalls mittels eines Stützelements 12 chassisseitig befestigt ist. Auch hier ergibt sich die Luftfederhöhe aus dem lichten Abstand zwischen Luftfederdeckel 8 und Anrollkolben 10, die als abstandsvariabel zueinander angeordnete Luftfederendglieder dienen. Auch hier befindet sich am Luftfederdeckel 8 seitlich neben dem Stützelement 12 eine Ultraschall- Sender/Empfänger-Baueinheit 14 einer Ultraschall- Anordnung 14, 16. Da auch hier eine Höhenmessung nach der Impuls/Echo-Methode zur Anwendung gelangt, ist auch hier am Abrollkolben 10 ein Reflektor 16 angeordnet. Auch hier ist anstelle einer Rollbalg- Luftfeder eine Faltenbalg-Luftfeder denkbar.
Erfϊndungswesentlich ist, dass ein von einem Ultraschall-Wandler 20 der Sender/Empfänger-Baueinheit 14 abzugebender Ultraschallstrahl 18 um einen Winkel φ verschwenkbar ist. Aus diesem Grunde kann die Baueinheit 14 und damit der Ultraschall- Wandler 20, wie es hier der Fall ist, axial ausgerichtet sein. Dabei wird die Neigung des Ultraschall-Strahlenbündels stets so eingestellt und nachgestellt, dass bei jeder Federhöhe eine optimale Reflexion am Reflektor 16 gegeben ist.
Aufbau und Wirkungsweise des Ultraschall- Wandlers 20 wird anhand der Prinzipdarstellungen der Figuren 3a und 3b erläutert:
Der als Sender/Empfänger ausgebildete Ultraschall- Wandler 20 besteht aus einem ein- oder zweidimensionalen Feld von Wandler-Elementen 20, bzw. 20,,, die äquidistant zueinander in einer planen Ebene angeordnet sind. Der Abstand d zwischen jeweils zwei zueinander benachbarten Wandler-Elementen 2O1, 201+], 2O1+2, ... wird Gitterkonstante genannt. Von einer elektronischen Versorgungseinheit (nicht dargestellt) erfolgt eine elektrische Ansteuerung der Wandler-Elemente 2O1. Erfϊndungswesentlich ist, dass zwischen der elektronischen Versorgungseinheit und den anzusteuernden Wandler- Elementen 2O1 jeweils ein Verzögerungsglied 22a, 22b, ... zwischengeschaltet ist. Die Verzögerungsglieder bewirken eine Zeit- bzw. Phasen- Verschiebung, deren Betrag von einem zum nächsten Wandler-Element jeweils aufsteigend konstant ist (z. B.: Oτ, lτ, 2τ, 3τ, 4τ), wobei τ eine bestimmte vorgegebene Zeiteinheit (bzw. Phase) ist (Fig. 3 a). Diese aufsteigende Verzögerung, bzw. umgekehrt: dieser aufsteigende Vorlauf, bewirkt, dass die von den einzelnen Wandler-Elementen 20, abgestrahlten Impulse bzw. Teilbündel 18a, 18b, ... von Wellenpaketen nicht gleichzeitig starten sondern einen Gangunterschied aufweisen, wodurch sich eine - bezogen auf die Wandler-Ebene - um den Winkel φ geneigte Impuls- bzw. Wellenfront ergibt. Da die Strahlrichtung φ jeweils orthogonal zu der Impuls- bzw. Wellenfront verläuft, ergibt sich somit eine - bezogen auf das Lot - um den Winkel φ geneigte Strahlrichtung. Der Zusammenhang zwischen der Zeit- bzw. Phasen- Verschiebung τ und der Strahlneigung φ berechnet sich nach der Gleichung: τ = (d/c) sinφ, wobei c die Geschwindigkeit des Ultraschallstrahls 18 ist.
Will man ein fokussiertes Strahlenbündel (statt ein paralleles) erzeugen, wird eine „konkave" Zeit- bzw. Phasenverzögerung an die Wandler-Elemente 20, angelegt, z. B. Oτ, 3τ, 4τ, 3τ, Oτ. Auf diese Weise wird eine konkave Wellenfront erzeugt. Da die Teil- Strahlen 18a, 18b, ... auch hier jeweils orthogonal auf der Wellenfront ausgerichtet sind, wird das Strahlenbündel 18 fokussiert. Die zwischen Wandler-Ebene und Brennpunkt F gegebene Brennweite f berechnet sich nach der Gleichung: τ = d2/(2fc), wobei f » d sein sollte (siehe Fig. 3b).
Als gleichwirkend im Sinne der Erfindung kann die folgende Methode der elektronischen Strahlverschwenkung angesehen werden:
Das Verschwenken des Strahlenbündels 18 erfolgt hier nicht durch Phasen- bzw. Zeitverzögerung zwischen zueinander benachbarten Elementen 2O1, 2O1+I1 ■•• sondern durch einen an alle Wandler-Elemente 20, gleichzeitig angelegten Frequenzsweep. Der
Zusammenhang zwischen Ultraschall-Wellenlänge λ und Strahlrichtung φ ergibt sich aus der Gleichung: z λ = d sinφ (z = 0, 1, 2, 3, ...). Aus der Frequenz des am stärksten empfangenen Reflexions-Signals wird der optimale Reflexionspunkt und dessen Richtung φ in Bezug auf den Sender/Empfänger 14 bestimmt. Aus der Laufzeit wird unter Berücksichtigung der Strahlneigung - wie gewohnt - die Federhöhe berechnet.
Statt eines Frequenzsweeps kann ein breitbandiges („weißes") Spektrum abgestrahlt werden. Die Selektion erfolgt dann empfängerseitig mit Hilfe eines Frequenzsweep-Filters. Bezugszeichenliste
Fig. 1, Fig. Sa/b:
2 Luftfeder, Rollbalg-Luftfeder 4 (Luftfeder-)Balg, Rollbalg
6 (Luftfeder-)Innenraum
8, 10 Luftfederendglied, Endglied
8 (Luftfeder-)Deckel
10 Abrollkolben 12 Stützelement
14, 16 Ultraschall- Anordnung
14 Ultraschall-Sender/Empfänger-Baueinheit
16 Reflektor
18 Ultraschallstrahl, Ultraschall-Strahlenbündel 18a, 18b, ...Teilbündel φ Neigungswinkel (Schwenkwinkel) des Strahles, Strahlrichtung, Strahlneigung
20 Sender/Empfänger, Ultraschallwandler
2Oi, 20ij Wandler-Element(e) d Gitterkonstante 22a, 22b, ... Verzögerungsglied
Oτ, lτ, 2τ, 3τ, ... Zeitverzögerung, Phasenverschiebung c Schallgeschwindigkeit f Brennweite
F Brennpunkt λ Ultraschall-Wellenlänge
Fig. 2 (Stand der Technik): 202 Luftfeder, Rollbalg-Luftfeder 204 Rollbalg 206 (Luftfeder-)Innenraum
208, 210 Luftfederendglied, Endglied
208 Luftfederdeckel, Deckel 210 Abrollkolben
212 Stützelement
214, 216 Ultraschall- Anordnung
214 (Ultraschall-Sender/Empfänger-)Baueinheit
216 Reflektor
218 Ultraschallstrahl α Neigungswinkel der Ultraschall-Sender/Empfänger-Baueinheit (214)

Claims

Patentansprüche
1. Messung der Federhöhe in einer Luftfeder (2) nach einem Ultraschall-Laufzeit- Messverfahren, wobei die Luftfeder (2) im Wesentlichen aus einem Luftfeder-Balg (4) und zwei abstandsvariabel zueinander angeordneten Endgliedern (8, 10) besteht, und wobei das Ultraschall Laufzeit-Messverfahren mit Hilfe einer Ultraschall-Anordnung durchgeführt wird, bei dem entweder an einem (8 oder 10) der beiden Endglieder (8, 10) eine Sender/Empfänger-Baueinheit (14) und an dem anderen (10 oder 8) der beiden Endglieder (8, 10) ein Reflektor (16), oder bei dem an einem ( 8 oder 10) der beiden Endglieder (8, 10) ein Ultraschall-Sender und an dem anderen der beiden Endglieder (10 oder 8) ein Ultraschall-Empfänger angeordnet ist, wobei jeweils der Sender zur Aussendung eines Ultraschall-Strahlenbündels (18) eingerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Ultraschall-Strahlenbündel (18) um einen Neigungswinkel (φ) schwenkbar ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , gekennzeichnet durch eine elektronische Schwenkbarkeit des Ultraschall- Strahlenbündels (18).
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Ultraschall-Laufzeit-Messverfahren ein Impuls/Echo- Verfahren ist, wobei die Federhöhe aus dem empfangenen Reflexionsstrahl unter Berücksichtigung der jeweiligen Strahlneigung (φ) ohne einen speziellen Reflektor rechnerisch ermittelt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch
Verwendung von Rechteck- oder Sinus-Signalen.
5. Luftfeder mit einer Einrichtung zur Messung ihrer Federhöhe nach einem Ultraschall- Laufzeit-Messverfahren, wobei die Luftfeder (2) im Wesentlichen aus einem Balg (4) und zwei abstandsvariabel zueinander angeordneten Endgliedern (8, 10) besteht, und wobei die Luftfeder (2) einen Ultraschallwandler (20) zur Erzeugung eines Ultraschallstrahls ( 18) innerhalb der Luftfeder (2) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallwandler (20) aus einem ein- oder zweidimensionalen Feld von Wandler-Elementen (2O1 oder 20υ) besteht.
6. Luftfeder nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass durch Vorgabe einer festen Phasen- oder Zeitdifferenz [τ = (d/c) sinφ] zwischen der elektrischen Ansteuerung jeweils zweier zueinander benachbarter Wandler-Elemente (2O1, 2O1+ 1) ein bestimmter, zeitlich konstanter Strahlwinkel (φ) einstellbar ist, und dass durch Einstellung einer zeitlich variablen Phasen- oder Zeitdifferenz (τ) zwischen der elektrischen Ansteuerung jeweils zweier zueinander benachbarte Wandler-Elemente (2O1, 20,+i) der Ultraschallstrahl (18) schwenkbar ist.
7. Luftfeder nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandler-Elemente (2O1 oder 20υ) äquidistant zueinander angeordnet sind, und dass die Phasen- oder Zeitdifferenz (τ) zwischen der elektrischen Ansteuerung jeweils zweier zueinander benachbarter Wandler-Elemente (2O1, 20,+i) konstant ist, wodurch sich eine ebene, um den Winkel (φ) geneigte Wellenfront ergibt.
8. Luftfeder nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel für eine randseitige Phasenkorrektur, und/oder dass Mittel für eine „konkave Phasenstruktur" der elektrischen Ansteuerung der Wandler- Elemente (20, oder 20,j) gegeben sind, wodurch eine Fokussierung des Strahlbündels (18) ermöglicht wird.
9. Luftfeder nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandler-Elemente (20, oder 20,j) des Schallwandlers (20) aus mikromechanischen Strukturen auf Halbleitermaterial bestehen.
10. Luftfeder nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Schallwandler (20) an einem (8 oder 10) der beiden Endglieder (8, 10) angeordnet und als Sender/Empfänger-Baueinheit (14) ausgebildet ist, und dass das andere (10 oder 8) der beiden Endglieder (8, 10) einen Reflektor (16) aufweist.
PCT/EP2006/006536 2005-08-10 2006-07-05 Luftfeder mit ultraschall-höhenmesseinrichtung WO2007017022A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102005037725.4A DE102005037725B4 (de) 2005-08-10 2005-08-10 Luftfeder mit Ultraschall-Höhenmesseinrichtung
DE102005037725.4 2005-08-10

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2007017022A1 true WO2007017022A1 (de) 2007-02-15

Family

ID=36829878

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2006/006536 WO2007017022A1 (de) 2005-08-10 2006-07-05 Luftfeder mit ultraschall-höhenmesseinrichtung

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102005037725B4 (de)
WO (1) WO2007017022A1 (de)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2564676A (en) * 2017-07-19 2019-01-23 Continental Automotive Romania Srl Method for height determination in air spring suspension systems during time intervals with air turbulences
EP3683071A1 (de) * 2019-01-18 2020-07-22 WABCO GmbH Luftfeder
WO2021202665A1 (en) * 2020-04-01 2021-10-07 DRiV Automotive Inc. Damper assembly
EP4147887A1 (de) * 2021-09-10 2023-03-15 Volvo Truck Corporation Aufhängungsanordnung für ein fahrzeug

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102007020043B4 (de) 2007-04-27 2014-05-28 Miro Gudzulic Messeinrichtung für eine Luftfeder, Luftfederung für ein Fahrzeug sowie Verfahren zu deren Steuerung
DE102007027792A1 (de) 2007-06-16 2008-12-18 Contitech Luftfedersysteme Gmbh Vorrichtung zum Nachweis von Leckagen an Luftfedern

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19648112C1 (de) * 1996-11-21 1998-03-05 Contitech Luftfedersyst Gmbh Einrichtung zur berührungslosen Abstandsmessung
DE19811982A1 (de) * 1998-03-19 1999-09-23 Microsonic Ges Fuer Mikroelekt Ultraschall-Luftfeder
US20030074970A1 (en) * 2001-10-18 2003-04-24 Siegfried Reck Method for determining the pressure present in the interior space of an air spring for a motor vehicle and apparatus for carrying out the method

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19648112C1 (de) * 1996-11-21 1998-03-05 Contitech Luftfedersyst Gmbh Einrichtung zur berührungslosen Abstandsmessung
DE19811982A1 (de) * 1998-03-19 1999-09-23 Microsonic Ges Fuer Mikroelekt Ultraschall-Luftfeder
US20030074970A1 (en) * 2001-10-18 2003-04-24 Siegfried Reck Method for determining the pressure present in the interior space of an air spring for a motor vehicle and apparatus for carrying out the method

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2564676A (en) * 2017-07-19 2019-01-23 Continental Automotive Romania Srl Method for height determination in air spring suspension systems during time intervals with air turbulences
GB2564676B (en) * 2017-07-19 2020-07-15 Continental Automotive Romania Srl Method for height determination in air spring suspension systems during time intervals with air turbulences
EP3683071A1 (de) * 2019-01-18 2020-07-22 WABCO GmbH Luftfeder
WO2021202665A1 (en) * 2020-04-01 2021-10-07 DRiV Automotive Inc. Damper assembly
EP4147887A1 (de) * 2021-09-10 2023-03-15 Volvo Truck Corporation Aufhängungsanordnung für ein fahrzeug

Also Published As

Publication number Publication date
DE102005037725B4 (de) 2016-01-21
DE102005037725A1 (de) 2007-02-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE19581711B4 (de) Verfahren und Vorrichtung zum Abtasten mit einstellbarer Frequenz für Ultraschallbilder
DE19756730B4 (de) Verfahren, Einrichtung und Anwendungen zur Verknüpfung von Sende-Wellenfunktionen zur Gewinnung einer synthetischen Wellenform in einem Ultraschall-Bildgebungssystem
DE102005037725B4 (de) Luftfeder mit Ultraschall-Höhenmesseinrichtung
DE3147482C1 (de) Ultraschallpruefkopf mit einer Vielzahl von Ultraschallwandlern
US20040066708A1 (en) Ultrasonic transmitting and receiving apparatus
DE2915761A1 (de) Vorrichtung zur ultraschall-untersuchung eines objektes
DE3124979A1 (de) "ultraschallwandler-anordnung fuer bogenabtastung"
DE102019106427B4 (de) Wandler und Wandleranordnung für Ultraschall-Prüfkopfsysteme, Ultraschall-Prüfkopfsystem und Prüfverfahren
DE60215406T2 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Ultraschallabbildung
DE102008023862A1 (de) Vorrichtung und Verfahren zur Erzeugung eines Ultraschallbildes
WO2012120039A2 (de) Verfahren zur ultraschall-clamp-on-durchflussmessung und vorrichtung zur umsetzung des verfahrens
DE102008040911A1 (de) Verfahren zum Senden einer Ultraschallwelle und Vorrichtung zum Senden einer Ultraschallwelle
DE60127612T2 (de) Verfahren zur Bilddatenerzeugung und Ultraschall- Diagnostikgerät, welches das Verfahren anwendet
EP0308899A2 (de) Ultraschallwandler mit astigmatischer Sende-/Empfangscharakteristik
DE3301023A1 (de) Kollimation von einem ultraschallwandler
DE4428500C2 (de) Ultraschallwandlerarray mit einer reduzierten Anzahl von Wandlerelementen
DE102020002837A1 (de) Verfahren zum Betrieb einer Messeinrichtung und Messeinrichtung
DE3241815C2 (de) Ultraschall-Prüfvorrichtung
DE19943215C2 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Detektion eines Fehlers mittels Ultraschall
DE3425811C2 (de) Verfahren zum Bestimmen der Wandstärke eines Werkstückes und/oder der Schallgeschwindigkeit in einem Werkstück sowie Vorrichtung zur Durchführung der Verfahren
DE10009129A1 (de) Ultraschallsensor
DE3715914C2 (de)
DE3221209C2 (de) Gerät zur Untersuchung von Körpern durch Abtastung mittels Ultraschall
EP0425765A1 (de) Verfahren zur Erfassung von Rissen mittels Ultraschall
DE2036613C3 (de) Verfahren und Vorrichtung zum Analysieren von Diskontinuitäten hinsichtlich ihrer geometrischen Daten mittels eines auf die Diskontinuität gerichteten Bündels aus wiederkehrenden kurzen akustischen Impulsen

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application
122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 06762407

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1