DE10020764A1 - Berührungslose Abstandsermittlung zwischen Achse und Aufbau eines Fahrzeugs - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Meßeinrichtung zur berührungslosen Ermittlung der Position zweier ineinander geführter Bauteile, wie Kolbenstange und Zylinder von in Fahrzeugen eingebauten Schwingungsdämpfern oder Federbeinen. Der mit einem der Bauteile fest verbundene Sensor nimmt strukturierte magnetische Markierungen des anderen Bauteils ab, wobei sich der magnetische Fluß entsprechend der Struktur der magnetischen Markierungen ändert, so daß elektrische Signale erzeugt und an eine Auswerteeinrichtung weitergeleitet werden. Das zum Sensor relativ bewegliche Bauteil wist einen zumindest teilweise über den Hub sich erstreckenden Informationsträger auf, der unabhängig von seiner räumlichen Ausgestaltung einen aufmagnetisierten Code zur Positionsbestimmung aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Meßeinrichtung zur berührungslosen Ermittlung der Positi­ on zweier ineinander geführter Bauteile, wie Kolbenstange und Zylinder von in Fahr­ zeugen eingebauten Schwingungsdämpfern oder Federbeinen, entsprechend dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Eine derartige Meßeinrichtung ist durch die DE 38 21 569 A1 bekannt. Bei einer in dieser Schrift aufgezeigten Abstandsmessung zwischen der Fahrzeugachse und dem Fahrzeugaufbau wirkt ein mit einem Schwingungsdämpferbauteil verbundener ringförmiger Permanentmagnet mit einem an einem relativ dazu beweglichen und an einem zweiten Schwingungsdämpferbauteil angebrachten stabförmigen magneti­ schen Sensorelement zusammen. Im Sensorelement ist eine Spule vorgesehen, wobei die magnetische Verstimmung als Maß für den Abstand zwischen Achse und Aufbau dient. Bei einer weiteren Methode zur Abstandsmessung wird ein inkremen­ tal strukturiertes Element von einem Sensor abgetastet. Dieses inkremental struktu­ rierte bzw. codierte Element kann durch eine Leiste mit ferromagnetischer Rasterung oder durch eine optische Rasterplatte gebildet sein. In beiden Fällen führt der Sensor die bei der Relativbewegung erfaßten Impulse der Auswerteeinrichtung zu, die dann daraus den Abstand ermitteln soll.

Weiter ist es durch die DE 198 01 091 A1 zur Huberfassung von Kolben-Zylinder- Aggregaten, wie für in Baumaschinen eingebaute hydraulische Verstellzylinder, be­ kannt, die Kolbenstange, die normalerweise aus magnetisierbarem Stahl hergestellt ist, mit einer Struktur zu versehen, die durch eine Art Gewinde oder durch Querrillen gebildet ist. Diese Struktur wird beispielsweise durch eine Chromschicht überdeckt und anschließend nachgearbeitet, damit die fertige Kolbenstange die einwandfreie glatte und zylindrische Oberfläche erhält. Ein magnetfeldempfindlicher Sensor ist in kleinem Abstand zur Kolbenstange angeordnet und tastet bei Relativbewegung der Kolbenstange zum Sensor die Struktur ab, wobei entsprechend der Änderung des magnetischen Flusses elektrische Signale erzeugt werden. Zur Erkennung in welche Richtung sich die Kolbenstange bewegt, sind wenigstens zwei Sensoren erforderlich.

Nachteilig bei diesen bekannten Meßeinrichtungen ist, daß ohne zusätzliche Einfüh­ rung von aufwendigen und teuren Referenzpositionen mit diesen Anordnungen keine genaue absolute Positionsmessung, sondern nur eine inkrementale, möglich ist. Um eine Auflösung der Längenmessung in der Größenordnung von 0,5 mm zu errei­ chen, muß die Struktur eine Tiefe in der gleichen Größenordnung haben. Deshalb ist ein Überchromen der in die Kolbenstangenoberfläche eingearbeiteten Strukturen sehr aufwendig und daher für die Anwendung im Fahrzeugbau zu teuer.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Meßeinrichtung zur berührungs­ losen Ermittlung der exakten Position und der Bewegungsrichtung der Kolbenstange im Zylinder zu schaffen, die leicht zu montieren ist und aus möglichst wenig kosten­ günstig herstellbaren Bauteilen besteht.

Diese Aufgabe wird durch die Erfindung mit den kennzeichnenden Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Ausführungsformen sind Ge­ genstand der Unteransprüche.

Durch das sich zum Sensor relativ bewegliche Bauteil, das einen sich über den Hub erstreckenden magnetisierbaren Informationsträger aufweist, der willkürlich und hubabhängig codierbar ist, wird eine mit einem Tonband vergleichbare magnetische Information geschaffen, die eine genaue Bestimmung der Position und der Bewe­ gungsrichtung mit nur einem Sensor ermöglicht, also eine genaue Abstandsmessung zwischen Achse und Aufbau eines Fahrzeugs erzielt wird. Man ist bei der Ausgestal­ tung des Informationsträgers unabhängig von der räumlichen Vorgaben, wie bei­ spielsweise Stanzbilder oder sich ändernde Wandstärken oder ähnliche strukturelle Maßnahmen.

Der Informationsträger besteht beispielsweise aus einer hartmagnetischen Schicht mit hoher Koerzitivfeldstärke, die mit einem nicht näher zu erläuternden Code auf­ magnetisiert wird. Der magnetisierbare Informationsträger erstreckt sich über den Hub des Schwingungsdämpfers oder Federbeins und kann als Streifen oder um den ganzen Umfang des relativ zum Sensor beweglichen Teils dicht unter der Außenflä­ che angeordnet und von einer Verschleißschutzschicht überzogen sein, damit der Informationsträger nicht dem Verschleiß ausgesetzt ist. Wenn der magnetisierbare Informationsträger parallel zur Oberfläche magnetisiert wird, ist es bei einem aus Stahl bestehenden und zum Sensor relativ beweglichen Bauteil erforderlich, eine unmagnetische Schicht zwischen dem und dem Informationsträger vorzusehen, da sich sonst die magnetischen Feldlinien durch den Stahl schließen und keine Kompo­ nente in Luft außerhalb des relativ beweglichen Teils meßbar ist. Abhilfe schafft eine Magnetisierung senkrecht oder im Winkel zur hartmagnetischen Schicht.

Als Sensoren sind Hall-Sensoren möglich, jedoch werden magnetoresistive Senso­ ren bevorzugt, da diese auf die Richtung der magnetischen Feldlinien empfindlich sind, nicht auf die absolute Feldstärke. Da die Feldlinien in jedem beliebigen Winkel auf der tonbandähnlichen hartmagnetischen Schicht codiert werden können, ist eine große Freizügigkeit hinsichtlich der Codierung des Informationsträgers möglich. Wenn am Informationsträger die Magnetisierung nicht sehr stark ausgeführt werden kann, dann ist es vorteilhaft, wenn der Sensor mit einem Dauermagnet eine Bauein­ heit bildet. Die Relativbewegung zwischen dem Informationsträger und einem ent­ sprechenden Sensor kann auch zur Erzeugung von elektrischer Energie ausgenützt werden, die zur Versorgung von elektronischen Bauteilen und/oder zur Meßwertü­ bertragung durch Funk verwendet werden kann.

Bei einem Ausführungsbeispiel ist der Sensor im Innenraum des Schwingungsdämp­ fers oder Federbeins im Bereich der Dichtungs- und Führungseinheit angeordnet und mit einem behälterfesten Bauteil verbunden. Eine sehr vorteilhafte Konstruktion wird erhalten, wenn der Sensor in die Führungs- und Dichtungseinheit integriert ist und so mit geringem Abstand zu der mit dem Informationsträger versehenen Kol­ benstange angeordnet ist.

Eine weitere Ausführungsform wird dadurch geschaffen, daß der Sensor in einem mit der Kolbenstange verbundenen Kolben eingebaut ist und die Innenfläche des Zylinders mit dem Informationsträger versehen ist. Bei Zylinderrohren, die nicht aus Stahl, sondern aus einem anderen Werkstoff bestehen, kann die den Informations­ träger bildende hartmagnetische Schicht bereits bei der Herstellung des Zylinders derart eingebracht werden, daß diese unter der Oberfläche angeordnet ist, was bei­ spielsweise durch Eingießen erfolgen kann.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausfüh­ rungsformen näher erläutert. Es zeigt in schematischer Darstellung:

Fig. 1 eine Anordnung des Informationsträgers auf einem aus Stahl bestehenden Bauteil;

Fig. 2 eine Ausführung, bei der eine Führungs- und Dichtungseinheit den Sensor trägt.

In Fig. 1 ist der mit unterschiedlichen magnetischen Signalen versehene Informati­ onsträger 1 mit einem zum Sensor 3 relativ beweglichen Bauteil 5 verbunden. Wenn das Bauteil 5 aus Stahl besteht, ist zwischen diesem und dem Informationsträger 1 eine unmagnetische Schicht 9 angeordnet, damit sich die magnetischen Feldlinien nicht durch den Stahl schließen. Der Informationsträger 1 ist nicht durch eine me­ chanische Struktur gebildet, sondern besteht aus einer hartmagnetischen Schicht, die, ähnlich wie bei einem Tonband, mit einem Code aufmagnetisierbar ist. Der Code wird durch unterschiedlich magnetisierte Bereiche auf dem Informationsträger be­ schrieben. Der an den Anwendungsfall angepaßte Code ist derart gewählt, daß nicht nur die genaue Position des Bauteils 5 vom Sensor 3, sondern auch die Bewegungs­ richtung des Bauteils erfaßt wird, wodurch ein Steuergerät, dem die Signale zuge­ führt werden, erkennt, in welchem Maß die Niveauregelung vorzunehmen ist. Außer­ dem können die Signale zur Ansteuerung von Zug- oder Druckdämpfventilen dienen, wozu auch das Erkennen der Bewegungsrichtung erforderlich ist. Da die Oberfläche des relativ beweglichen Bauteils 5 üblicherweise glatt und verschleißfest sein muß, ist auf den Informationsträger 1 eine Verschleißschutzschicht 7 aufgebracht. Wenn das relativ zum Sensor bewegliche Bauteil 5 aus einem unmagnetischen Werkstoff besteht, kann der Informationsträger 1 eingearbeitet, z. B. eingegossen sein, so daß die Schichten 7 und 9 nicht erforderlich sind. Um auch bei schwacher Magnetisie­ rung der hartmagnetischen Schicht des Informationsträgers 1 ausreichend große Signale am Sensor 3 zu erhalten, ist der Sensor mit einem Dauermagnet 11 verse­ hen und bildet vorzugsweise mit diesem eine Baueinheit.

Die in Fig. 2 gezeigte Ausführungsform zeigt einen Behälter 17 eines Schwingungs­ dämpfers oder eines Federbeins, in dem eine Führungs- und Dichtungseinheit 15 befestigt ist. Diese Führungs- und Dichtungseinheit 15 zentriert nicht nur eine Kol­ benstange 13, sondern auch einen nicht eingezeichneten Zylinder und trägt den Sensor 3. Der Behälter 17 steht mit der Achse und die Kolbenstange 13 mit dem Aufbau des Fahrzeugs in Verbindung. Die Kolbenstange 13 ist mit dem sich über den gesamten Hub des Schwingungsdämpfers erstreckenden Informationsträger 1 versehen, der, wie in Fig. 1 erläutert, codiert ist, wodurch der Sensor 1 die dem Ab­ stand zwischen Achse und Aufbau des Fahrzeugs zugeordneten Signale zur Verar­ beitung an ein Steuergerät weiterleitet.

Eine weitere nicht zeichnerisch dargestellte Ausführungsform wird dadurch geschaf­ fen, daß der Sensor in einem mit der Kolbenstange verbundenen Kolben integriert ist, während die Innenfläche des Zylinders mit dem Informationsträger versehen ist. Diese Ausführung eignet sich besonders für Zylinder, die aus einem nicht magneti­ sierbaren Werkstoff hergestellt sind, wobei der Informationsträger bei der Herstellung des Zylinders eingearbeitet und vom Zylinderwerkstoff überdeckt wird. Eine solche Ausführung ist besonders kostengünstig, denn es erübrigt sich sowohl die unmagne­ tische Schicht als auch die Verschleißschutzschicht.

Claims (8)

1. Meßeinrichtung zur berührungslosen Ermittlung der Position zweier ineinander geführter Bauteile, wie Kolbenstange und Zylinder von in Fahrzeugen eingebau­ ten Schwingungsdämpfern oder Federbeinen, wobei ein mit einem der Bauteile verbundener Sensor strukturierte magnetische Markierungen des anderen Bau­ teils abnimmt und sich der magnetische Fluß entsprechend der Struktur der magnetischen Markierungen ändert, wodurch elektrische Signale erzeugt und an eine Auswerteeinrichtung weitergeleitet werden, dadurch gekennzeichnet, daß das zum Sensor (5) relativ bewegliche Bauteil (5) einen zumindest teilweise über den Hub sich erstreckenden Informationsträger (1) aufweist, der unabhängig von seiner räumlichen Ausgestaltung einen aufmagnetisierten Code zur Positionsbe­ stimmung aufweist.

2. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Informati­ onsträger (1) durch eine hartmagnetische Schicht mit hoher Koerzitivfeldstärke gebildet ist und mit einem vorgegebenen Code aufmagnetisiert wird.

3. Meßeinrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Informationsträger (1) dicht unter der Außenfläche angeordnet und von einer Verschleißschutzschicht (7) überzogen ist.

4. Meßeinrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Informationsträger (1) auf der dem Sensor (3) abgekehrten Seite mit einer unmagnetischen Schicht (9) verbunden ist.

5. Meßeinrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der mit der mit dem Informationsträger (1) zusammenwirkende Sensor (3) als magnetfeldempfindlicher Sensor ausgebildet ist.

6. Meßeinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (1) mit einem Dauermagnet (11) zu einer Baueinheit verbunden ist.

7. Meßeinrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der in einem Schwingungsdämpfer oder Federbein angeordnete Sensor (3) in einer behälterfesten Führungs- und Dichtungseinheit (15) integriert ist und die Kolbenstange mit dem Informationsträger (1) versehen ist.

8. Meßeinrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (3) in einem mit der Kolbenstange verbundenen Kolben integriert ist, während die Innenfläche des Zylinders mit dem Informationsträger (1) versehen ist.