DE19801054C1 - Kolben-Zylinderaggregat mit einer Bewegungserfassungseinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Bewegungserfassungseinrichtung zweier relativ zueinander beweglicher Teile bei einem Kolben-Zylinderaggregat.

Die DE 40 41 407 C2 beschreibt eine Einrichtung zur Erfassung der Relativgeschwindig­ keit zwischen dem Kolben und dem Zylinder eines Schwingungsdämpfers. Die Einrich­ tung umfaßt einen Schallgeber und einem Schallaufnehmer, wobei der Schallgeber und der Schallaufnehmer im kolbenstangenfernen Arbeitsraum des Schwingungsdämpfers angeordnet sind. Als Reflexionsfläche dient der Boden des Zylinders, insbesondere das Bodenventil. Es wird zwar behauptet, daß die Einrichtung auch für sogenannte Einrohr­ schwingungsdämpfer tauglich sein soll, doch läßt sich diese Behauptung nur schwerlich nachvollziehen, da bei einem Einrohrschwingungsdämpfer ein Trennkolben eingesetzt wird, der einen Ausgleichsraum vom kolbenstangenfernen Arbeitsraum trennt, wobei der Ausgleichsraum und damit der Trennkolben das Volumen der ein- und ausfahren­ den Kolbenstange kompensieren muß. Der Trennkolben ist ein in Achsrichtung des Schwingungsdämpfers bewegliches Bauteil, das als Referenzmarke damit ausscheidet. Des Weiteren ist der Trennkolben vollständig reflektierend, so daß der Zylinderboden keine oder nur unzureichend wenige Reflexionen liefern kann.

Für den Einsatz eines Systems nach der DE 40 41 407 C2 ist es zwingend erforderlich, daß eine hohle Kolbenstange eingesetzt wird, um die Anschlußkabel an den Schallgeber und den Aufnehmer verlegen zu können. Damit sind größere konstruktive Probleme verbunden, da die Kolbenstange endseitig hydraulisch dicht sein muß. Auch die Kon­ taktierung ist nicht als montagefreundlich anzusehen.

Die DE 36 20 957 A1 beschreibt ein Federungssystem, bei dem ein Fluiddruckfeder- Federbein ein an zwei Endgliedern, die in Axialrichtung der Feder aufeinander zu oder voneinander weg bewegbar sind, abgestütztes Hohlgehäuse enthält, ist eine Vorrich­ tung an einem Endglied zur Messung des Axialabstandes der Endglieder voneinander durch Aussenden von Ultraschallimpulsen in Axialrichtung vorgesehen, die beispielswei­ se von dem jeweils anderen Endglied zurückgesendet werden, um so die Laufzeit der Impulse im Gehäuse zu messen und so ein Maß für den Abstand der beiden Endteilen innerhalb des Gehäuses jederzeit zu schaffen. Vorzugsweise wird ein Sendeempfänger an einem Endglied und ein Reflektor an dem anderen Endglied angeordnet, und als Referenzwertgeber wird ein feststehender Reflektor an dem Sendeempfänger tragenden Endglied befestigt.

Die Ultraschallwellen breiten sich in dem Balg der Feder aus. Das in der Feder befindliche Gas hat praktisch keine Dämpfwirkung auf den in Schwingung versetzten Körper, so daß sehr viele reflektierte Signale von den Flächen innerhalb der Feder vorliegen, aus denen das Signal herausgefiltert werden muß, das den korrekten Abstand zwischen den beiden Endglieder repräsentiert.

Bei dieser Art der Ultraschallsende- und Empfangstechnik durch eine Gasumgebung können physikalisch bedingt nur Entfernungen zwischen den Endgliedern von minde­ stens 0,3 m einwandfrei gemessen werden. Kürzere Entfernungen lassen sich nur durch getrennt arbeitende Sende- und Empfangsteile erfassen. Damit ist aber ein beträchtli­ cher apparativer Aufwand verbunden.

Das deutsche Gebrauchsmuster G 94 17 204 U1 beschreibt ein Kolben-Zylinderaggregat mit einer Einrichtung zur Erfassung der Lage und/oder der Geschwindigkeit eines Kol­ bens. Dazu werden Wellen ausgesendet, deren Laufzeit bis zu einem Reflexionskörper als Bezugsmaß herangezogen wird. Dazu verfügt die Kolbenstangenführung des Kol­ ben-Zylinderaggregates über einen außermittigen Sender, der auf eine Reflexionsfläche an der Kolbenstange ausgerichtet ist. In diesem Zusammenhang ist noch auf das DE 90 ­ 12 280 U1 zu verweisen, bei dem eine optoelektrische Längenmeßeinrichtung im Innern des Kolben-Zylinderaggregat angeordnet ist.

Das DE 87 02 817 U1 beschreibt im Zusammenhang eine Möglichkeit den Einfluß der Temperatur des Leitmediums, Gas oder ein Flüssigkeit zu kompensieren. Dazu verfügt das Kolben-Zylinderaggregat über eine ortsfeste Zielmarke mit bekannten Referenzwer­ ten. Die ortsfeste Zielmarke wird von einem separaten Bauteil gebildet, daß einzig dieser Funktion dient.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Meßeinrichtung für ein Kolben- Zylinderaggregat zu realisieren bei der die aus dem Stand der Technik bekannten Pro­ bleme behoben sind.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einer Ausführungsform durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Die Kolbenstangenführung bietet als Anbringungsstelle für den Sender und Empfänger den Vorteil, daß einerseits an der Kolbenstange keine Veränderungen vorgenommen werden müssen und andererseits die Zugänglichkeit für elektrische Anschlüsse unpro­ blematisch ist. Des Weiteren kann, soweit vorhanden, die Dämpfwirkung einer Flüssig­ keit im Arbeitsraum genutzt werden, um einerseits ein möglichst deutliches Reflexions­ signal zu erhalten und andererseits höhere Frequenzen zu benutzen, so daß eine präzi­ sere Messung der Bewegung der Baugruppe Kolbenstange-Kolben vorgenommen wer­ den kann.

Es werden schon im Vorfeld die Voraussetzung zu schaffen, daß ein möglichst präzises Reflexionssignal vorliegt. Soweit die axiale und die radiale Ausdehnung der Kolbenstan­ genführung es zuläßt, wird ein trichterförmiger Focusierkanal angestrebt, um die Wir­ kung zu steigern.

Ein grundsätzliches Problem bei der Reflexionsauswertung liegt darin, daß der Refle­ xionskörper an dem zu bestimmenden Körper ortsfest angebracht sein muß. Deshalb ist vorgesehen, daß die Baugruppe Kolben-Kolbenstange einen Reflexionskörper aufweist, der unabhängig von beweglichen Teilen am Kolben ausgeführt ist. Als bewegliche Teile können beispielsweise Ventilscheiben oder auch ein axial beweglicher Kolbenring vor­ kommen. Die Bewegung dieser Teile ist erfahrungsgemäß sehr gering, doch ist u. U. die anzustrebenden Meßgenauigkeit so hoch, daß die möglichen Bewegungen Einfluß auf das Meßergebnis haben.

Bei einer alternativen Ausführungsform für ein Kolben-Zylinderaggregat, umfassend einen Zylinder, in dem innerhalb einer Kolbenstangenführung eine Kolbenstange mit einem Kolben axial beweglich geführt ist, mit einer Bewegungserfassungseinrichtung, die einen Sender und einen Empfänger umfaßt, wobei aus der Laufzeit der vom Sende­ teil erzeugten Wellen die Bewegung der relativ zueinander beweglichen Komponenten bestimmt wird, weist eine der sich bewegenden Komponenten den Sender auf, der entlang der Oberfläche der dem Sender zugeordneten Komponente des Kolben- Zylinderaggregates leicht schräg verlaufende Schallwellen aussendet, die von der ande­ ren Komponente reflektiert werden. Der Vorteil dieser Variante der Erfindung liegt dar­ in, daß die Schwingfrequenzen in den Festkörperteilen des Kolben-Zylinderaggregates sehr groß sein können, wovon die Meßgenauigkeit profitiert. Insbesondere bei Aggre­ gaten, die keine Flüssigkeitsfüllung aufweisen, ist dieser Vorteil gravierend.

Im Hinblick auf eine besonders geschützte Lage, beispielsweise bei einer Anwendung des Kolben-Zylinderaggregates in einem Kraftfahrzeug, ist der Sender an einem Ab­ schnitt der Kolbenstange befestigt, der auch bei maximaler Einfahrbewegung der Kol­ benstange außerhalb des Zylinders bleibt, wobei die Stirnfläche des Zylinders im Bereich der Kolbenstangenführung eine Reflexionsfläche bildet. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, daß der Zylinder und auch die Kolbenstangenführung keine Zugangsöffnung für den Sender und den Empfänger bzw. einem kombinierten Sender/Empfänger aufweisen muß. Damit entfällt eine Dichtungsstelle. Als der Anbringungsort für den Sender, an dem er besonders geschützt ist, ist der Bereich an oder im Befestigungselement der Kolbenstange anzusehen.

Des weiteren ist eine Variante eines Kolben-Zylinderaggregates vorgesehen, umfassend einen Zylinder, in dem innerhalb einer Kolbenstangenführung eine Kolbenstange mit einem Kolben axial beweglich geführt ist, mit einer Bewegungserfassungseinrichtung, die einen Sender und einen Empfänger umfaßt, wobei aus der Laufzeit der vom Sender erzeugten Wellen die Bewegung des Kolbens bestimmt wird, wobei für die Begrenzung der Bewegung der Kolbenstange eine Anschlagfeder eingesetzt wird, die bei der Mess­ wellenausbreitung ein Reflexionsmuster liefert, das als Bezugsgröße zur Temperatur­ kompensation der Meßeinrichtung dient.

Als Sender kann wahlweise ein Scherwandler oder auch Transversalwandler in Verbin­ dung mit einer Keillagerung eingesetzt werden.

Anhand der folgenden Figurenbeschreibung soll die Erfindung näher erläutert werden.

Es zeigt:

Fig. 1 Kolben-Zylinderaggregat mit einer Meßeinrichtung innerhalb der Kolben­ stangenführung

Fig. 2 Kolben-Zylinderaggregat mit einer Meßeinrichtung unter Ausnutzung einer Oberflächenwellenausbreitung

Die Fig. 1 zeigt beispielhaft ein Kolbenzylinderaggregat 1 in der Ausführung eines Ein­ rohrschwingungsdämpfers. Grundsätzlich läßt sich der Erfindungsgedanke auch bei an­ deren Anwendungen benutzen.

Das Kolbenzylinderaggregat 1 besteht im wesentlichen aus einem Zylinder 3, in dem ein Kolben 5 an einer Kolbenstange 7 axial beweglich angeordnet ist. An der Austrittsseite der Kolbenstange 7 verschließt eine Kolbenstangenführung 9 einen mit Dämpfmedium gefüllten Arbeitsraum 11, der durch einen Trennkolben 13 von einem Gasraum 15 ge­ trennt ist, der endseitig einen Boden 17 mit Auge 19 aufweist.

Bei einer Kolbenstangenbewegung wird Dämpfmedium durch Dämpfventile 21 im Kol­ ben 5 verdrängt. Ein nicht dargestellter Kolbenring verhindert ein seitliches Umströmen des Kolbens.

Innerhalb der Kolbenstangenführung 9 ist eine Bewegungserfassungseinrichtung 23 angeordnet, die aus einem Sender und einem Empfänger besteht. Bei der Anwendung eines oder mehrerer Piezoelemente können die beiden Funktionen auch von einem Bau­ teil in abwechselnder Arbeitsweise erfüllt werden.

Die Bewegungserfassungseinrichtung befindet sich am verschlossenen Ende eines Focu­ sierkanals 25. Mit diesem Focusierkanal sollen die ausgesendeten Wellen gebündelt werden, um die Menge der reflektierten Wellen zu minimieren.

An der Baugruppe Kolben-Kolbenstange ist ein Refexionskörper 27 befestigt, der unab­ hängig von beweglichen Teilen des Kolbens, wie beispielsweise einer Ventilscheibe oder eines Kolbenringes, eine definierte Lage an der besagten Baugruppe aufweist. In diesem Ausführungsbeispiel ist eine Zuganschlagfeder 29 dargestellt, deren Länge beim Einbau bekannt ist und sich als Bezugsgröße zum Reflexionskörper einsetzen läßt, um tempera­ turbedingte Schwankungen bei der Wellenübertragung in dem Fluid des Arbeitsrau­ mes 11 zu kompensieren. Der Vorteil der Zuganschlagfeder liegt darin, daß die Feder ein Reflexionsmuster bereitstellt, das aus einer Messung mit einer größeren Sicherheit her­ ausgestellt werden kann als ein einzelner Meßpik als Bezugsgröße. Dabei wirkt eine Flüssigkeit im positiven Sinn als signaldämpfend.

Während des Betriebs der Bewegungserfassungseinrichtung werden Schallwellen aus­ gesendet. Die Laufzeit der ausgesendeten Schallwellen bzw. der Reflexionen der ausge­ sendeten Schallwellen ist ein Maß für die Entfernung zwischen der Schallquelle und dem Reflexionskörper, da die Schallausbreitungsgeschwindigkeiten innerhalb verschiedener Medien bekannt sind. Ist die Entfernung bekannt, dann kann man durch die zeitliche Ableitung auch die Geschwindigkeit oder Beschleunigung bzw. die Änderung der Be­ schleunigung, auch Ruck genannt, ermitteln. Als Bezugspunkt für die Messung eignet sich besonders gut die Kolbenstangenführung mit ihrer Kolbenstangendichtung 9a, die ein deutliches Signal liefert. Des weiteren wurde festgestellt, daß auch die Kolbendich­ tung für das zweite Bezugssignal nutzbar ist, so daß ggf. auf den Reflexionskörper ver­ zichtet werden kann.

In der Fig. 1 ist ein innenliegender Sender 23 dargestellt. Die Erfindung bezieht sich je­ doch auf mögliche Ausführungsformen, bei denen der Sender außerhalb des Zylinders 3 angeordnet ist.

Bei einer alternativen Ausführungsform der Erfindung wird an dem Kolben- Zylinderaggregat 1 ein Sender 23 befestigt, der Oberflächenschallwellen erzeugt, die sich beispielsweise entlang der Außenmantelfläche der Kolbenstange 7 bewegen. Dazu ist an der Kolbenstange in einem Bereich, der auch bei maximaler Einfahrbewegung außerhalb des Zylinders 3 verbleibt, der Sender 23 befestigt, wobei die Stirnfläche des Zylinders bzw. der Kolbenstangenführung 9 die Reflexionsfläche bildet. Bei Bedarf kann auch eine separate Reflexionsscheibe 27 dieser Stelle befestigt werden.

In diesem Beispiel ist der Sender 23 dem Befestigungselement 19 angeordnet. Bei einem Kraftfahrzeug ist das kolbenstangenseitige Befestigungselement meistens innerhalb der Karosserie und damit sind auch die notwendigen Versorgungskabel besonders ge­ schützt. Des Weiteren liegt die Frequenz der Vertikalbewegungen bei einem Kraftfahr­ zeugaufbau um eine Zehnerpotenz niedriger als das Fahrzeugrad, so daß diese Stelle insgesamt für den Sender mit geringeren Belastungen verbunden ist. Selbstverständlich läßt sich das Verfahren der Oberflächenwellen auch bei einem Sender in der Kolben­ stangenführung einsetzen, die Schallwellen entlang dem Innendurchmesser des Zylin­ ders bewegen zu lassen.

Des weiteren kann der Sender 23 auch außenseitig am Zylinder 3 angebracht sein und die Oberflächenwellen auf dem Außendurchmesser des Zylinders abstrahlen (S. gestri­ chelt dargestellten Sender 23). Der Anbringungsort wird wesentlich von den Bauraum­ bedingungen bestimmt.

Als Sender kommt z. B. ein Scherwandler zur Anwendung, dessen Wellenausbreitung leicht schräg zur Längsachse des Kolben-Zylinderaggregates ausgerichtet ist. Die Wel­ lenbewegung erfolgt bei bestimmungsgerichter Ausrichtung des Senders entlang der Oberfläche, wobei durch den metallischen Werkstoff der Kolbenstange 7 eine Dämp­ fung auftritt, die es ermöglicht, daß der Sender und der Empfänger von einem Bauteil in alternierender Arbeitsweise gebildet werden kann. Ein Scherwandler besteht aus minde­ stens zwei quaderförmigen Schwingelementen, die flächig aufeinander liegen. Die min­ destens zwei Schwingelemente bewegen sich im Bereich der Kontaktfläche zueinander, wobei die Ausrichtung im wesentlichen mit der Achsrichtung der Kolbenstange zusam­ menfällt.

Alternativ kann auch ein Transversalwandler in Verbindung mit einer keilförmigen Ver­ bindungsstelle zu dem in Schwingung zu setzenden Bauteil. Die Schallwellen werden in Stapelrichtung der Schwingelemente erzeugt und über die keilförmige Verbindungsstel­ le in Richtung der Oberfläche abgelenkt.

Claims (8)

1. Kolben-Zylinderaggregat, umfassend einen Zylinder, in dem innerhalb einer Kolben­ stangenführung eine Kolbenstange mit einem Kolben axial beweglich geführt ist, mit einer Bewegungserfassungseinrichtung, die einen Sender und einen Empfänger um­ faßt, wobei aus der Laufzeit der vom Sender erzeugten Wellen die Bewegung des Kolbens bestimmt wird und der Sender und der Empfänger innerhalb der Kolben­ stangenführung angeordnet ist und von der Baugruppe Kolben-Kolbenstange reflek­ tierte Wellen zur Bestimmung der Bewegung dieser Baugruppe ausgewertet werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenstangenführung (9) einen Focusierkanal (25) aufweist, der die vom Sender (23) ausgehenden Wellen bündelt.

2. Kolben-Zylinderaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Baugruppe Kolben-Kolbenstange (5; 7) einen Reflexionskörper (27) aufweist, der unabhängig von am Kolben (5) beweglichen Teilen ausgeführt ist.

3. Kolben-Zylinderaggregat, umfassend einen Zylinder, in dem innerhalb einer Kolben­ stangenführung eine Kolbenstange mit einem Kolben axial beweglich geführt ist, mit einer Bewegungserfassungseinrichtung, die einen Sender und einen Empfänger um­ faßt, wobei aus der Laufzeit der vom Sender erzeugten Wellen die Bewegung der re­ lativ zueinander beweglichen Komponenten bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine der sich bewegenden Komponenten den Sender (23) aufweist, der entlang der Oberfläche der dem Sender zugeordneten Komponente (3; 7) des Kolben- Zylinderaggregates (1) leicht schräg zu dessen Längsachse ausgerichtet verlaufende Schallwellen aussendet, die von der anderen Komponente reflektiert werden.

4. Kolben-Zylinderaggregat nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Sender (23) an einem Abschnitt der Kolbenstange (7) befestigt ist, der auch bei maximaler Einfahrbewegung der Kolbenstange außerhalb des Zylinders (3) bleibt, wobei die Stirnfläche des Zylinders im Bereich der Kolbenstangenführung (9) eine Re­ flexionsfläche bildet.

5. Kolben-Zylinderaggregat nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Sender (23) im Bereich eines Befestigungselementes (19) der Kolbenstan­ ge (7) angeordnet ist.

6. Kolben-Zylinderaggregat, umfassend einen Zylinder, in dem innerhalb einer Kolben­ stangenführung eine Kolbenstange mit einem Kolben axial beweglich geführt ist, mit einer Bewegungserfassungseinrichtung, die einen Sender und einen Empfänger um­ faßt, wobei aus der Laufzeit der vom Sender erzeugten Wellen die Bewegung des Kolbens bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß für die Begrenzung der Bewegung der Kolbenstange eine Anschlagfeder (29) eingesetzt wird, die bei der Messwellenausbreitung ein Reflexionsmuster liefert, das als Bezugsgröße zur Temperaturkompensation der Meßeinrichtung dient.

7. Kolben-Zylinderaggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Sender (23) von einem Scherwandler gebildet wird.

8. Kolben-Zylinderaggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Sender (23) von einem Transversalwandler in Verbindung mit einer Keillage­ rung gebildet wird.