DE10130507B4

DE10130507B4 - Luftfeder mit einem verformbaren Sensorelement

Info

Publication number: DE10130507B4
Application number: DE2001130507
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dr. Huber; Michael Dr. Märtens
Original assignee: Continental AG
Current assignee: Continental AG
Priority date: 2001-06-25
Filing date: 2001-06-25
Publication date: 2005-02-03
Anticipated expiration: 2021-06-26
Also published as: DE10130507A1

Abstract

Luftfeder, insbesondere für Straßenfahrzeuge, mit
– einem Abrollkolben (2; 22) und einem Rollbalg (1; 24) und mit
– mindestens einem Sensorelement, das in einem Abrollbereich angeordnet ist und ein elektrisches Signal abgibt, wenn es verformt wird,
gekennzeichnet durch
– ein dreieckförmiges Sensorelement (16) oder mehrere im wesentlichen streifenförmige Sensorelemente (18) unterschiedlicher Länge, die senkrecht zu einer Bewegungsrichtung des Rollbalgs mit zunehmender Länge angeordnet sind und deren Einhüllende dreieckförmig ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Luftfeder, insbesondere für Straßenfahrzeuge, mit einem Abrollkolben und einem Rollbalg.
Bei Luftfedern der genannten Art, stellt sich das Problem der Regelung des Luftdrucks in dem Rollbalg zur Höhenregelung und / oder zur Regelung der Federcharakteristik.

Aus der DE 198 11 982 A1 ist eine Luftfeder bekannt, bei der die Höhenregelung mittels eines Ultraschallsensors erfolgt. Der Ultraschallsensor dient zur Erfassung des Abstandes zwischen den beiden Enden des Luftfederbalgs, wobei der Ultraschallsensor einen Ultraschallwandler enthält, der für eine hohe Frequenz ausgelegt ist. Der Ultraschallwandler enthält ein piezoelektrisches Wandlerelement sowie eine Anpassschicht, deren Dicke ¼ der wandlereigenen Wellenlänge beträgt.

Aus der EP 188 289 A2 ist ein Steuerungssystem für eine Hinterachsfederung bekannt, bei dem ein piezoelektrischer Sensor eine Beschleunigung der vorderen Reifen erfasst. In Abhängigkeit von dem ermittelten Beschleunigungswert wird die Federcharakteristik der Federung der Hinterachse entsprechend angepasst.

Aus der DE 34 34 660 A1 ist eine Luftfeder bekannt, bei der ein Gasdrucksensor zur Erfassung und Regelung des Drucks in dem Rollbalg dient. Der Sensor besteht aus einer piezoelektrischen Folie oder Kristall, die ein Signal in Abhängigkeit von dem auf den Sensor wirkenden Luftdruck abgibt.

Ferner ist aus der DE 42 43 530 A1 eine Luftfeder mit einem Rollbalg und einem Höhensensor bekannt. Auf der Mantelwandung des Abrollkolbens sind Drucksensoren oder -kontakte in axialer Richtung angeordnet. Die Drucksensoren werden von der Rollfalte bei einer Abrollbewegung betätigt und die entsprechenden Ausgangssignale der Drucksensoren einer Höhenregulierung zugeführt.

Die 1 zeigt eine Ausführungsform der aus der DE 4243 530 A1 bekannten Luftfeder. Die Luftfeder weist einen elastomeren Rollbalg 1 auf, der an einem Abrollkolben 2 befestigt ist. Auf dem Kolbenmantel des Abrollkolbens 2 sind flache, elektrische Drucksensoren 3 angeordnet. Die Drucksensoren 3 sind in axialer Richtung ausgerichtet und in zwei diametral gegenüberliegenden Gruppen angeordnet.

Im Betrieb der Luftfeder taucht der Abrollkolben 2 in den Rollbalg 1 verschieden tief ein. Dieses wird in der 1 angedeutet, wo die linke Seite den Abrollkolben 2 tiefer eingetaucht zeigt als auf der rechten Figurenseite.

Je nach Eintauchtiefe des Abrollkolbens 2 bedeckt die Rollfalte 4 den Kolbenmantel des Abrollkolbens 2 mehr oder weniger. In der zeichnerischen Darstellung der 1 auf der rechten Seite sind vier Drucksensoren 3 von der Rollfalte 4 bedeckt und damit auf den Zustand logisch „1" geschaltet, während die unbedeckten Drucksensoren 3 den Schaltzustand logisch „0" aufweisen. Taucht der Abrollkolben 2 weiter in den Rollbalg 1 ein (linke Seite der 1), so sind lediglich die letzten beiden Drucksensoren 3 noch im Schaltzustand logisch „0".

Die geschalteten Drucksensoren 3 geben ein elektrisches Ausgangssignal auf eine in der 1 nicht dargestellte Auswerteelektronik. Durch die jeweiligen logischen Schaltzustände der Drucksensoren 3 wird die Eintauchtiefe des Abrollkolbens 2 in dem Rollbalg 1 von der Auswerteelektronik ermittelt. In Abhängigkeit von der Eintauchtiefe kann die Druckluftbeaufschlagung des Rollboalgs 1 entsprechend geändert werden.

Weiterer Stand der Technik ist in DE 199 02 768 C1 , DE 84 13 300 U1 , DE40 01 179 A1 sowie JP 10-030 680 A gezeigt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Luftfeder und ein verbessertes Verfahren zur Regelung einer Luftfeder zu schaffen.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche jeweils gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Die Erfindung erlaubt den Einsatz von verformbaren Sensorelementen zur Ermittlung einer Eindringtiefe des Abrollkolbens in den Rollbalg einer Luftfeder. Als Sensorelemente kommen dabei vorzugsweise Dehnungsmessstreifen, Piezokeramiken oder piezoelektrische Folien, vorzugsweise aus einem polymeren Material, z. B. aus Polyvinylidenfluorid (PVFD), zur Anwendung.

Nach einer ersten Alternative der Erfindung ist das Sensorelement dreieckförmig ausgebildet. Beispielsweise kann eine dreieckförmige Folie aus Polyvinylidenfluorid in einem Abrollbereich des Rollbalgs auf dem Abrollkolben angeordnet werden. Durch die dreieckförmige Ausbildung des Sensorelements wird die Steilheit des bei einer Abrollbewegung erzeugten Signals des Sensors erhöht. Dies erlaubt eine genauere Messung als beispielsweise bei einem rechteckförmig ausgebildeten Sensorelement. Ein weiterer Vorteil ist, dass sich die benötigte Folienfläche verringert. Ferner ist bei einem dreieckförmigen Sensorelement vorteilhaft, dass von der Signalintensität auf die Eintauchtiefe des Abrollkolbens in den Rollbalg geschlossen werden kann, da die Signalintensität von der Breite der vom Rollbalg überdeckten Folie abhängt. Hierbei ist von Vorteil, dass man bei einer Änderung der Eintauchtiefe ein sich stetig änderndes Signal erhält und ferner nur ein Sensor benötigt wird, das heißt ein dreieckförmiges Sensorelement kann eine Kaskade aus rechteckigen Sensorelementen ersetzen.

Nach einer zweiten Alternative der Erfindung weist die Luftfeder mehrere streifenförmige Sensorelemente unterschiedliche Längen auf. Die Sensorelemente sind in axialer Richtung untereinander angeordnet, wobei sie entlang einer Bewegungsrichtung des Rollbalgs auf dem Abrollkolben nach deren Länge sortiert sind. Als Einhüllende der verschieden langen Sensorelemente ergibt sich eine Dreieckform. Ein besonderer Vorteil dieser Ausführungsform ist darin zu sehen, dass sie die Vorteile der dreieckförmigen Ausbildung mit den Vorteilen der Verwendung mehrerer streifenförmiger Sensorelemente zu kombinieren erlaubt. Insbesondere lässt sich durch eine entsprechende Wahl der Streifenlängen der Sensorelemente ein nicht lineares, beispielsweise exponentiell ansteigendes Gesamtausgangssignal der Sensorelemente in Abhängigkeit der Eindringtiefe des Abrollkolbens in den Rollbalg erzeugen.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 5 ist das Sensorelement zumindest teilweise in ein Elastomer eingebettet. Dadurch wird das Sensorelement gut vor äußeren mechanischen Einflüssen, die typischerweise beim Betrieb eines Straßenfahrzeuges entstehen – wie beispielsweise Steinschlag etc. – geschützt und die Gefahr der Beschädigung des Sensorelements durch solche äußeren mechanischen Einflüsse wird deutlich reduziert.

Ein weiterer Vorteil dieser Ausführungsform ergibt sich bei Verwendung von verformbaren Sensorelementen, die flach ausgebildet sind und die bei Längsdehnung oder Stauchung eine besondere Empfindlichkeit aufweisen. Dies ist sowohl bei Dehnungsmessstreifen als auch bei piezoelektrischen Folien der Fall.

Ein solches flächiges Sensorelement weist vorzugsweise gegenüber dem Elastomerbauteil eine relativ geringe Dicke auf, das heißt vorzugsweise ist jede Ausdehnungsrichtung des Elastomerbauteils mindestens fünf mal so groß wie die Dicke des Sensorelements. Ferner ist die Dicke des Sensorelements vorzugsweise wesentlich kleiner als seine Breite und Höhe, so dass das Sensorelement in erster Näherung als ein flaches zweidimensionales Gebilde betrachtet werden kann.

Durch die Einbettung des flächigen Sensorelements in den Elastomer werden Verfomungen des Elastomers aufgrund eines äußeren mechanischen Drucks des Rollbalgs auf den Abrollkolben bei einer Abrollbewegung auf das flächige Sensorelement übertragen, so dass sich dieses in Längsrichtung zusammen mit dem Elastomer ausdehnen kann. Vorzugsweise ist der Elastomer ein Gummi, Kautschuk oder Gelmaterial.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 7 ist das Sensorelement allseitig von dem Elastomer umgeben und gegenüber dem Elastomer elektrisch isoliert, wenn das Elastomer elektrisch leitfähig ist. In vorteilhafter Weise kann dazu ein elektrisch isolierender Haftvermittler eingesetzt werden, der die Haftung zwischen dem Sensorelement und dem umgebenden Elastomerbauteil verbessert und zusätzlich das Sensorelement gegenüber dem Elastomerbauteil elektrisch isoliert. Der Vorteil dieser Weiterbildung ist darin zu sehen, dass durch den Haftvermittler eine gute Haftung des piezoelektrischen Films an dem umgebenden Elastomerbauteil und somit eine gute Kraftübertragung von dem Elastomerbauteil auf das Sensorelement gewährleistet ist. Darüber hinaus ist dann eine separate elektrische Isolierung des Sensorelements nicht notwendig. Als elektrisch isolierender Haftvermittler kann beispielsweise Chemosil 211 verwendet werden.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 9 ist zumindest der Teil des Sensorelements, der in das Elastomer eingebettet ist, gewellt. Der Vorteil dieser Weiterbildung ist darin zu sehen, dass das Sensorelement Verformungen des Elastomers durch die wellige Form besser aufnehmen kann und sich somit seine Ermüdungsbeständigkeit und Lebensdauer erhöht.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 10 ist das Sensorelement in ein nicht leitendes Silikon-Gel eingebettet, welches teilweise in einer Aussparung des Abrollkobens angeordnet ist. Auch das Silikon-Gel erlaubt eine Übertragung der bei einer Abrollbewegung des Rollbalgs auf dem Abrollkolben wirkenden mechanischen Kräfte auf das in dem Silikon-Gel eingebettete Sensorelement. In vorteilhafter Weise wird dabei das Gel nicht vollständig in die Aussparung des Abrollkolbens eingepasst, sondern weist ein Spiel auf. Dadurch ist gewährleistet, dass sich das Sensorelement hinreichend verformen kann. Ein solches Spiel ist nämlich erforderlich, da Gummi im Wesentlichen inkompressibel ist.

Die Erfindung erlaubt es, die Sensorelemente sowohl an dem Abrollkolben als auch an dem Rollbalg zu befestigen, oder in den Rollbalg zu integrieren. Wesentlich ist dabei, dass bei einer Abrollbewegung des Rollbalgs auf dem Abrollkolben die Sensorelemente sukzessive von dem Rollbalg überdeckt werden, so dass die entsprechende mechanische Kraft zu einer Verformung und einem entsprechenden Ausgangssignal des oder der Sensorelemente führt. Die entsprechende Verformung wird durch die Einbettung der Sensorelemente in Gummi gewährleistet.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 13 ist das Sensorelement zur Abgabe eines asymmetrischen Signals bei einer Hin- und Herbewegung des Rollbalgs ausgebildet. Das asymmetrische Signal kann dazu verwendet werden, um festzustellen, ob die gegenwärtige Bewegungsrichtung des Abrollkolbens in den Rollbalg hinein oder hinaus gerichtet ist. Diese Information kann in eine Regelelektronik zur Weiterverarbeitung eingegeben werden, um entsprechend beispielsweise die Federcharakteristik anzupassen. Ein solches asymmetrisches Signal erhält man beispielsweise bei der Verwendung eines Trapez oder T-förmigen Sensorelements.

Ferner erlaubt es die Erfindung auch, die Relativgeschwindigkeit von Abrollkolben und Rollbalg durch die Erfassung der Sensorsignale zu unterschiedlichen Zeitpunkten zu ermitteln. Ein sich daraus ergebendes geschwindigkeitsabhängiges Signal wird ebenfalls von der Regelelektronik ausgewertet, um entsprechende Anpassungen beispielsweise der Federcharakteristik vorzunehmen.

Ein Ausführungsbeispiel und weitere Vorteile der Erfindung werden im Zusammenhang mit den nachstehenden Figuren erläutert, darin zeigt:
1 eine Luftfeder mit einem Rollbalg und einem Höhensensor aus dem Stand der Technik,
2 ein erfindungsgemäßes Sensorelement,
3 mehrere senkrecht zu einer Abrollbewegung angeordnete streifenförmige Sensorelemente,
4 ein dreieckförmiges Sensorelement,
5 mehrere streifenförmige Sensorelemente, die unterschiedliche Länge aufweisen und deren Einhüllende dreieckförmig ist,
6 die Ausgangskennlinie des resultierenden Signals der Sensorelemente der 5,
7 ein Elastomerbauteil mit einem flächigen Sensorelement in schematischer Darstellung,
8 ein Elastomerbauteil mit einem welligen Sensorelement in schematischer Darstellung,
9 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Luftfeder mit mehreren in ein Elastomer eingebetteten streifenförmigen Sensorelementen,
10 ein asymmetrisches Ausgangssignal eines einzelnen Sensorelements,
11 ein Flussdiagramm für die Bestimmung der Bewegungsrichtung des Abrollkolbens und des Rollbalgs, und
12 ein Flussdiagramm zur Ermittlung eines Geschwindigkeitsverlaufs der Relativgeschwindigkeit von Abrollkolben und Rollbalg.
Die 2 zeigt ein einzelnes verformbares Sensorelement 5. Bei dem Sensorelement 5 kann es sich um einen Dehnungsmessstreifen oder eine Anordnung von Dehnungsmessstreifen handeln. Ferner kann das Sensorelement 5 als piezoelektrischer Sensor realisiert sein, und zwar vorzugsweise mittels eines polymeren Materials, beispielsweise einer piezoelektrischen Folie, insbesondere aus Polyvinylidenfluorid, oder aus einem piezokeramischen Material. Vorzugsweise ist das Sensorelement 5 in ein elastisches Material, beispielsweise Gummi oder Elastomer, eingebettet, um die seitliche Verformung des Sensorelements bei einem durch den Rollbalg ausgeübten Druck zu unterstützen. Wenn das Sensorelement 5 anstatt auf dem Abrollkolben im Bereich der Rollfalte des Rollbalgs angeordnet ist, erübrigt sich eine solche Einbettung.
Das Sensorelement 5 weist elektrische Anschlüsse 6 und 7 auf. Von den Anschlüssen 6 und 7 gehen elektrische Leitungen 8 bzw. 9 zu einem Messinstrument 10. Bei einer Verformung des Sensorelements 5 wird ein entsprechendes Signal über die Leitungen 8 und 9 zu dem Messinstrument 10 übertragen. Das Messinstrument 10 führt eine analoge oder digitale Vorverarbeitung des Signals durch und liefert ein Ausgangssignal über die Leitung 11 an eine Auswerteelektronik 12.
Das Sensorelement 5 wird in einem Abrollbereich des Rollbalgs auf dem Abrollkolben so angeordnet, dass es bei einer Abrollbewegung zu einer Verformung des Sensorelements 5 und damit zu einem entsprechendem Ausgangssignal kommt. Durch dieses Ausgangssignal wird ein Eintauchen des Abrollkolbens in den Rollbalg registriert und von der Auswerteelektronik 12 entsprechend ausgewertet. Als Resultat der Auswertung in der Auswerteelektronik 12 können Steuerungs- oder Regelungsvorgänge veranlasst werden, beispielsweise eine Anpassung der Charakteristik der Luftfeder durch Zuschalten eines Zusatzvolumens.
Die 3 zeigt einen Abrollkolben 13 einer Luftfeder. Auf dem Abrollkolben sind mehrere streifenförmige Sensorelemente 14 in axialer Richtung senkrecht zu einer Abrollbewegung eines in der 3 nicht gezeigten Rollbalgs auf dem Abrollkolben 13 angeordnet: Jedes der Sensorelemente 14 hat einen Signalausgang 15 zur Ausgabe eines verformungsabhängigen Signals.
Beispielsweise kann ein Signalausgang 15 logisch „1" sein, wenn das betreffende Sensorelement 14 verformt ist, das heißt, wenn auf das betreffende Sensorelement 14 durch den Rollbalg aufgrund einer Eindringbewegung des Abrollkolbens ein verformender Druck ausgeübt wird. Die Signalausgänge 15 werden wiederum einer Auswerteelektronik zugeführt, die aus den einzelnen logischen Signalsausgängen beispielsweise die Eindringtiefe des Abrollkolbens in den Rollbalg ermittelt oder andere ergänzende Auswertungen durchführt, beispielsweise hinsichtlich der Eindringgeschwindigkeit oder -frequenz, der Eindringrichtung oder dergleichen.
Die 4 zeigt den Abrollkolben 13 mit einem dreieckförmigen Sensorelement 16. Das Sensorelement 16 hat die Form eines spitzwinkligen Dreiecks, wobei der spitze Winkel des Dreiecks in eine der Abrollbewegung entgegengesetzte Richtung weist. Alternativ kann der spitze Winkel auch in die Richtung der Abrollbewegung weisen. Entsprechend der Ausführungsform der 2 weist das Sensorelement 16 Anschlüsse 6 und 7 sowie Leitungen 8 und 9 auf, um das Ausgangssignal des Sensorelements 16 einem in der 4 nicht gezeigten Messinstrument zuzuführen, welches wiederum ein Signal für eine Auswerteelektronik abgibt.
Der Vorteil der Ausführungsform der 4 im Vergleich zu der Ausführungsform der 2 ist eine größere Empfindlichkeit hinsichtlich der Messung der Eindringtiefe des Abrollkolbens. Insbesondere ist durch die dreieckförmige Ausbildung des Sensorelements 16 eine größere Signalsteilheit zu erreichen. Von besonderem Vorteil ist dabei, dass aus dem Sensorsignal auch die Eintauchtiefe geschlossen werden kann.
Die 5 zeigt eine der 3 entsprechende Anordnung, wobei die einzelnen Sensorelemente 18 unterschiedliche Längen aufweisen. Die Sensorelemente 18 sind dabei so angeordnet, dass entlang der Abrollbewegung die Länge von einem Sensorelement 18 zum nächsten jeweils um einen gleichen Betrag zunimmt. Die Einhüllende der Sensorelemente 18 ist daher dreieckförmig. Die einzelnen Ausgangssignale 19 der Sensorele mente 18 lassen sich aufaddieren, um so den in der 6 gezeigten nicht-linearen Verlauf des resultierenden Ausgangssignals zu erhalten.
Die X-Achse des Diagramms der 6 zeigt die Eindringtiefe des Abrollkolbens in den Rollbalg und die Y-Achse zeigt das resultierende Ausgangssignal, welches sich durch Addition der einzelnen Ausgangssignale 19 ergibt.
Zunächst wird bei einer geringen Eindringtiefe nur das erste Sensorelement 18 entlang der Abrollbewegung von dem Rollbalg überdeckt. Bei der weiteren Abrollbewegung kommt es dann zu einer Überdeckung des darauffolgenden Sensorelements 18, welches im Vergleich zu dem ersten Sensorelement 18 eine um den definierten Betrag größere Länge aufweist. Aufgrund dessen kommt es nicht nur zu einer Verdopplung des resultierenden Gesamtsignals, sondern das resultierende Gesamtsignal ist zusätzlich um einen Signalbetrag erhöht, der der zusätzlichen definierten Länge des zweiten Sensorelements 18 entspricht. Bei der weiteren Abrollbewegung kommt es daher zu dem in der 7 schematisch dargestellten im Wesentlichen exponentiell ansteigenden Signalverlauf des resultierenden Ausgangssignals.
Die 7a zeigt ein Elastomerbauteil 20, das zum Beispiel aus Gummi bestehen kann. In das Elastomerbauteil ist das Sensorelement in Form eines piezoelektrischen Films derart eingebettet, dass dieser allseitig von dem Elastomerbauteil 20 umgeben ist. Der piezoelektrische Film 21 ist flächig ausgebildet und seine Dicke d ist wesentlich kleiner als die Dicke des Elastomerbauteils 20 und als die Tiefe t und die Breite b des Films 21 (s. 7b).
Der piezoelektrische Film 21 weist wiederum Anschlüsse 6 und 7 auf, von denen ausgehend elektrische Leitungen 8 und 9 zu dem Messinstrument 10 führen – entsprechend der Darstellung der 2. Der piezoelektrische Film 21 ist allseitig mit einem Haftvermittler versehen, der für eine haftende Verbindung zwischen dem Film und dem umgebenden Elastomerbauteil sorgt und ihn inklusive seiner elektrischen Anschlüsse 6, 7 gegenüber dem Elastomerbauteil 20 elektrisch isoliert. Alternativ zu einem Haftvermittler kann auch ein anderer Isolator vorgesehen werden, wenn die Isolationswirkung des Gummis nicht ausreicht. Ein Haftvermittler muss jedoch nicht notwendiger Weise verwendet werden.
Wird auf das Elastomerbauteil 20 eine Kraft ausgeübt, die in Richtung der in der 7a eingezeichneten Pfeile wirkt, so wird es in Folge dieser Kraft zusammengepresst. Beim Wegfall der Kraft kommt es zu einer entsprechenden Relaxation des Elatomerbauteils 20 und des in ihm befindlichen piezoelektrischen Films 21.
Während des Zusammenpressens dehnt sich das Elastomerbauteil 20 zur Seite hin aus; während der Relaxation verschwindet diese seitliche Ausdehnung wieder. Die seitliche Ausdehnung überträgt sich auf den in dem Elastomerbauteil 20 eingebetteten piezoelektrischen Film 21. Der Film 21 ist in dem Elastomerbauteil 20 so ausgerichtet, dass seine Flächennormale (das heißt die Flächennormale, die senkrecht auf der durch b und t aufgespannten Ebene steht (s. 1b)) parallel zur auf das Elastomerbauteil 20 wirkenden Kraft verläuft, so dass eine besonders gute Übertragung der Ausdehnung des Elastomerbauteils 20 auf den piezoelektrischen Film 21 gewährleistet ist.
Darüber hinaus wird der piezoelektrische Film 21 bevorzugt in der Nähe des Randes des Elastomerbauteils 20 angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass im Randbereich die Verformungen des Elastomerbauteils 20 nur gering sind und der Film 21 somit nicht durch Verformungen des Elastomerbauteils 20, denen er nicht folgen kann, zerstört wird.
Die 8 zeigt ein Elastomerbauteil 20, das im Wesentlichen genauso aufgebaut ist, wie das in der 7 gezeigte Bauteil. Der einzige Unterschied ist darin zu sehen, dass der in das Elastomerbauteil 20 eingebettete piezoelektrische Film 21 gewellt ist. Dies hat den Vorteil, dass eine Verformungen des Elastomerbauteils 20 in Folge der von dem Rollbalg auf den Abrollkolben bei einer Abrollbewegung ausgeübten Kraft ermüdungsfrei von dem piezoelektrischen Film 21 aufgenommen werden kann.
Die 9 zeigt den Abrollkolben 22 einer Luftfeder mit der Rollfalte 23 eines Rollbalgs 24. Auf der Oberfläche des Abrollkolbens 22 befindet sich eine Gummischicht 25. Auf der Oberfläche der Gummischicht 25 sind streifenförmige Sensorelemente 26 angeordnet, entsprechend der Darstellung der 3 oder der 5.
Auf die Sensorelemente 26 folgt eine weitere Gummischicht 27, so dass die Sensorelemente 26 beidseitig flächig von einer Gummischicht umgeben sind. Die aus den Gummischichten 25 und 27 sowie den Sensorelementen 26 bestehende Anordnung lässt sich in einem zusammenhängenden Elastomerbauteil 28 realisieren.
Je nach der Position der Rollfalte 23 werden unterschiedliche Sensorelemente 26 des Elastomerbauteils 28 mit einem Druck beaufschlagt, der im Wesentlichen senkrecht auf das Elastomerbauteil 28 wirkt, so dass sich dieses unter anderem in einer Richtung senkrecht zur Zeichenebene der 10 längs ausdehnt. Diese Längenausdehnung wird auf die entsprechenden Sensorelemente 26 übertragen, was zu einem entsprechenden Ausgangssignal führt. Die so gewonnenen Ausgangssignale werden wie im Bezug auf die 2, 3, 4 und 5 erläutert einer Auswerteelektronik zugeführt. Damit ist beispielsweise die Höhe und Geschwindigkeit der Luftfeder bestimmbar.
Von besonderem Vorteil bei der Ausführungsform der 9 ist, dass die Längendehnung des Elastomerbauteils 28 auf die Sensorelemente 26 zumindest teilweise übertragen wird, so dass man ein entsprechend genaues und leicht auswertbares Ausgangssignal erhält. Alternativ kann das Elastomerbauteil 28 auch in einem Bereich des Rollbalgs 24, der der Rollfalte 23 entspricht, integriert sein oder auf diesen beispielsweise aufgeklebt ein einvulkanisiert sein. Für den Fall, dass der Rollbalg 24 aus einem Material einer entsprechenden Elastizität besteht, kann eine der Gummischichten 25, 27 durch die Oberfläche des Rollbalgs 24 ersetzt werden.
Die 10 zeigt ein Ausgangssignal eines einzelnen Sensorelements, welches bei einer periodischen Schwingung der Luftfeder ermittelt wurde. Wie aus der 11 ersichtlich, ist die Signalform asymmetrisch. Insbesondere ist die Signalform infolge Überrollen bei der Aufwärtsbewegung der Rollfalte verschieden von der Signalform bei der Abwärtsbewegung. Aus dem Signalverlauf lässt sich also ermitteln, welche Relativbewegung der Abrollkolben und der Rollbalg zu einem gegebenen Zeitpunkt ausführen.
Werden mehrere Sensorelemente übereinander angeordnet – wie das beispielsweise in der Ausführungsform der 3, 5 und 10 der Fall ist – so erhält man von den einzelnen Sensorelementen jeweils zeitlich verschobene Signalverläufe, die jeweils dem in der 11 gezeigten Signalverlauf entsprechen. Aus der zeitlichen Verschiebung der so gewonnenen einzelnen Signale lässt sich ebenfalls die Bewegungsrichtung „hoch rollen" oder „herunter rollen" erkennen. Ferner lässt sich hieraus auch die Geschwindigkeit der Rollbewegung ermitteln.
Die 11 zeigt ein entsprechendes schematisches Flussdiagramm. In dem Schritt 121 wird zunächst die Signalform des von einem Sensorelement gelieferten Ausgangssignals erfasst.
In dem Schritt 122 wird die Flanke des Signals mit einer typisierten Signalform, die der Aufwärts- bzw. der Abwärtsbewegung entspricht, verglichen und damit korreliert. Basierend auf dieser Korrelation wird sodann entschieden, ob es sich um eine Auf- oder um eine Abwärtsbewegung handelt. Ein entsprechendes Signal wird an eine Regelelektronik ausgegeben, die dieses Signal in dem Schritt 123 verarbeitet.
Die 12 zeigt ein schematisches Flussdiagramm zur Ermittlung der Einfedergeschwindigkeit. In dem Schritt 131 wird zunächst zu einem ersten Zeitpunkt T₁ ein Signalpegel S₁ eines Sensorelements erfasst. Bei dem Sensorelement kann es sich um ein Element entsprechend 2 oder 4 handeln; es kann sich jedoch auch um eine Mehrzahl von übereinander angeordneten streifenförmigen Sensorelementen entsprechend den 3, 5 und 10 handeln, wobei sich der Signalpegel dann durch die Addition der einzelnen Signale der Sensorelemente ergibt.
In dem Schritt 132 erfolgt eine entsprechende Erfassung des Signalpegels S₂ zu einem darauffolgenden Zeitpunkt T₂. Aus der Differenz der Signalpegel wird sodann in dem Schritt 133 ein Signal ermittelt, welches proportional zu der Bewegungsgeschwindigkeit von Abrollkolben und Rollbalg ist.
Dieses Signal wird einer Regelelektronik zugeführt. Durch fortlaufende Eingabe eines entsprechenden geschwindigkeitsabhängigen Signals wird in dem Schritt 134 der Geschwindigkeitsverlauf festgestellt. In dem Schritt 135 folgt eine Anpassung der Federcharakteristik durch die Regelungselektronik, beispielsweise durch entsprechende Erhöhung oder Verminderung des Pressluftdrucks in der Luftfeder entsprechend dem in dem Schritt 134 ermittelten Geschwindigkeitsverlauf.

1: Rollbalg
2: Abrollkolben
3: Drucksensoren
4: Rollfalte
5: Sensorelement
6: Anschlüsse
7: Anschlüsse
8: Leitungen
9: Leitungen
10: Messinstrument
11: Leitung
12: Auswertelektronik
13: Abrollkolben
14: Sensorelement
15: Signalausgang
16: Sensorelement
17: Ausgangssignal
18: Sensorelement
19: Ausgangssignal
20: Elastomerbauteil
21: piezoelektrischer Film
22: Abrollkolben
23: Rollfalte
24: Rollbalg
25: Gummischicht
26: Sensorelement
27: Gummischicht
28: Elastomerbauteil

Claims

Luftfeder, insbesondere für Straßenfahrzeuge, mit – einem Abrollkolben (2; 22) und einem Rollbalg (1; 24) und mit – mindestens einem Sensorelement, das in einem Abrollbereich angeordnet ist und ein elektrisches Signal abgibt, wenn es verformt wird, gekennzeichnet durch – ein dreieckförmiges Sensorelement (16) oder mehrere im wesentlichen streifenförmige Sensorelemente (18) unterschiedlicher Länge, die senkrecht zu einer Bewegungsrichtung des Rollbalgs mit zunehmender Länge angeordnet sind und deren Einhüllende dreieckförmig ausgebildet ist.
Luftfeder nach Anspruch 1, bei der das Sensorelement als Dehnungsmessstreifen ausgebildet ist.
Luftfeder nach Anspruch 1, bei der das Sensorelement als piezoelektrisches Sensorelement ausgebildet ist.
Luftfeder nach Anspruch 3, bei der das Sensorelement ein polymeres Material und/oder ein piezokeramischen Material aufweist.
Luftfeder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Sensorelement zumindest teilweise in einem Elastomer (20) eingebettet ist.
Luftfeder nach Anspruch 5, bei der das Elastomer Gummi, Kautschuk oder ein Gel ist.
Luftfeder nach Anspruch 5 oder 6, bei der das Sensorelement derart in das Elastomer eingebettet ist, dass es allseitig von dem Elastomer umgeben ist, und die Sensorelemente gegenüber dem Elastomer elektrisch isoliert sind, wenn das Elastomer elektrisch leitfähig ist.
Luftfeder nach Anspruch 5, 6 oder 7 bei der eine Oberfläche des Sensorelements mit einem elektrisch isolierendem Haftvermittler versehen ist, der die Haftung zwischen der Oberfläche und dem Elastomer verbessert und das Sensorelement gegenüber dem Elastomer elektrisch isoliert.
Luftfeder nach einem der Ansprüche 5 bis 8, bei der zumindest ein Teil des Sensorelements, der in das Elastomer eingebettet ist, gewellt ist.
Luftfeder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Sensorelement in ein nicht leitendes Silikon-Gel eingebettet ist, und das Silikon-Gel teilweise in einer Aussparung in dem Abrollkolben angeordnet ist.
Luftfeder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Sensorelement an dem Abrollkolben befestigt ist.
Luftfeder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Sensorelement an dem Rollbalg befestigt ist, oder in den Rollbalg integriert ist.
Luftfeder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Sensorelement zur Abgabe eines asymmetrischen Signals bei einer Hin- und Herbewegung des Rollbalgs ausgebildet ist.
Verfahren zur Regelung einer Luftfeder , wobei die Luftfeder nach einem der Ansprüche 1 bis 13 ausgebildet ist, mit folgenden Schritten: – Erfassung der Signalform des von dem Sensorelement abgegebenen Signals, – Ermittlung der Bewegungsrichtung des Rollbalgs aus der Signalform, und – Auswertung der ermittelten Bewegungsrichtung in einer Regelelektronik.
Verfahren zur Regelung einer Luftfeder, wobei die Luftfeder nach einem der Ansprüche 1 bis 13 ausgebildet ist, mit folgenden Schritten: – Erfassung eines Signalwerts des von dem Sensorelement abgegebenen Signals zu einem ersten Zeitpunkt, – Erfassung des Signalwerts zu einem zweiten Zeitpunkt, – Ermittlung eines geschwindigkeitsabhängigen Signals aus der Differenz der Signalwerte zu dem ersten und dem zweiten Zeitpunkt, und – Auswertung des Geschwindigkeitswerts in einer Regelelektronik.