DE102015218554A1

DE102015218554A1 - Linearwegmessvorrichtung für einen Einfederweg einer Teleskopfedereinheit und korrespondierende Teleskopfedereinheit

Info

Publication number: DE102015218554A1
Application number: DE102015218554.0A
Authority: DE
Inventors: Fabian Utermoehlen; Stefan Leidich
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2015-09-28
Filing date: 2015-09-28
Publication date: 2017-03-30
Also published as: US10386205B2; US20170089731A1; JP2017067777A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Linearwegmessvorrichtung (20) für einen Einfederweg (x) einer Teleskopfedereinheit (1) mit einer elektrisch leitenden Feder (10) sowie eine Teleskopfedereinheit (1) mit einer solchen Linearwegemessvorrichtung (20). Erfindungsgemäß bildet die Feder (10) eine Messinduktivität (L) aus, welche von einer wirksamen Länge der Feder (10) abhängig ist, wobei die Feder (10) an ihren Enden jeweils einen elektrischen Kontakt (12, 14) aufweist und über entsprechende elektrische Verbindungen mit einer Messkapazität (C) und einer Auswerte- und Steuereinheit (22) verbunden ist, wobei die Messinduktivität (L) mit der Messkapazität (C) einen elektrischen LC-Schwingkreis (24) ausbildet, dessen Resonanzfrequenz die Auswerte- und Steuereinheit (22) misst, wobei die Resonanzfrequenz sich als Funktion des Einfederwegs (x) ergibt.

Description

Die Erfindung geht aus von einer Linearwegmessvorrichtung für einen Einfederweg einer Teleskopfedereinheit nach der Gattung des unabhängigen Patentanspruchs 1. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch eine korrespondierende Teleskopfedereinheit nach der Gattung des unabhängigen Patentanspruchs 4.
Aus dem Stand der Technik sind zur Erfassung eines Linearweges bei einem über eine Teleskopfederung gefederten System, wie beispielsweise bei einer Motorradfedergabel, extern angebrachte Messsysteme bekannt. Diese messen den Linearweg bzw. die Eintauchtiefe der Federgabel mit Hilfe eines Potentiometers und eines Schleifkontaktes. Als nachteilig kann hier zum einen der Verschleiß des Messsystems und zum anderen die exponierte Lage außen am Tauchrohr angesehen werden, die zu einer Verschmutzung und demzufolge einer verringerten Zuverlässigkeit des Messsystems führen kann.
Aus dem Stand der Technik sind weiterhin MacPherson-Federbeine bekannt, welche beispielsweise zur Radaufhängung und Radfederung bei Kraftfahrzeugen verwendet werden. Eine Messung der Einfederung kann hier beispielsweise über verhältnismäßig teure Druckkraftsensoren erfolgen.
Aus der DE 10 2007 017 308 B4 ist eine Federeinheit mit einem Linearwegsensor bekannt, welcher die Abstandsänderungen zwischen zwei Federwindungen ermittelt. Darüber wird dann auf den gesamten Einfederweg zurückgerechnet. Der eingesetzte Linearwegsensor basiert in einer Ausführungsform auf dem „Coupled-Coils“ Prinzip, d.h. ein Target an der Feder ändert die induktive Kopplung zwischen zwei Sensorspulen. In einer zweiten Ausführungsform ist das Target resonant ausgeführt und umfasst einen Schwingkreis. Die Messung der induktiven Kopplung bleibt jedoch im Wesentlichen identisch.
Offenbarung der Erfindung
Die Linearwegmessvorrichtung für einen Einfederweg einer Teleskopfedereinheit mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 sowie die korrespondierende Teleskopfedereinheit mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 4 haben den Vorteil, dass die Induktivität der als elektrische Spule wirkenden Feder selbst als Messinduktivität eingesetzt wird. Ausgewertet wird dann die beim Einfedern veränderte Messinduktivität der Feder, um den Einfederweg zu bestimmen. Dies ermöglicht ohne zusätzliche Sensorik eine kostengünstige Messung des Einfederwegs der Feder.
Ausführungsformen der Erfindung messen über die Induktivitätsänderung, welche durch Stauchung bzw. Einfedern der Feder bewirkt wird, und eine Messkapazität direkt den Einfederweg über die Resonanzfrequenz des korrespondierenden Schwingkreises, in welchem die Feder die Messinduktivität darstellt. Das bedeutet, dass Ausführungsformen der Erfindung die Resonanzfrequenz des Schwingkreises ermitteln und auswerten, welcher durch die Feder selbst und einen Kondensator gebildet wird.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen eine Linearwegmessvorrichtung für einen Einfederweg einer Teleskopfedereinheit mit einer elektrisch leitenden Feder zur Verfügung. Die Feder bildet eine Messinduktivität aus, welche von einer wirksamen Länge der Feder abhängig ist. Hierbei weist die Feder an ihren Enden jeweils einen elektrischen Kontakt auf und ist über entsprechende elektrische Verbindungen mit einer Messkapazität und einer Auswerte- und Steuereinheit verbunden. Die Messinduktivität bildet mit der Messkapazität einen elektrischen LC-Schwingkreis aus, dessen Resonanzfrequenz die Auswerte- und Steuereinheit misst, wobei die Resonanzfrequenz sich als Funktion des Einfederwegs ergibt.
Zudem wird eine Teleskopfedereinheit mit einer solchen Linearwegmessvorrichtung für einen Einfederweg, einem Standrohr, einem Tauchrohr, einem Stützrohr und einer elektrisch leitenden Feder vorgeschlagen, welche innerhalb des Standrohrs angeordnet und zwischen dem Standrohr und dem Stützrohr eingespannt ist. Das Standrohr ist in Bezug auf das Stützrohr und das Tauchrohr axial beweglich gelagert, wobei das Standrohr beim Einfedern gegen die Kraft der Feder in das Tauchrohr eintaucht und die Feder staucht.
Unter der Auswerte- und Steuereinheit kann vorliegend ein elektrisches Gerät, wie beispielsweise ein Steuergerät, verstanden werden, welches erfasste Messsignale verarbeitet bzw. auswertet. Die Auswerte- und Steuereinheit kann mindestens eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen der Auswerte- und Steuereinheit beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind. Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert ist und zur Durchführung der Auswertung verwendet wird, wenn das Programm von der Auswerte- und Steuereinheit ausgeführt wird.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen und Weiterbildungen sind vorteilhafte Verbesserungen der im unabhängigen Patentanspruch 1 angegebenen Linearwegmessvorrichtung für einen Einfederweg einer Teleskopfedereinheit und der im unabhängigen Patentanspruch 4 angegebenen Teleskopfedereinheit möglich.
Besonders vorteilhaft ist, dass die Auswerte- und Steuereinheit basierend auf der gemessenen Resonanzfrequenz des LC-Schwingkreises einen aktuellen Einfederweg berechnen kann.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Linearwegmessvorrichtung können Komponenten der Teleskopfedereinheit die elektrischen Verbindungen und/oder die Messkapazität ausbilden. Dadurch sind in vorteilhafter bis auf die elektronischen Komponenten der Auswerte- und Steuereinheit zur Messung der Resonanzfrequenz und zur Berechnung des Linearweges keinerlei zusätzliche Komponenten erforderlich.
Ausführungsformen der Linearwegmessvorrichtung können direkt in die Teleskopfedereinheit integriert werden, so dass in vorteilhafter Weise keine Verschmutzung und/oder keine Beschädigung und/oder kein Diebstahl von Komponenten der Linearwegmessvorrichtung möglich ist. Des Weiteren kann eine verschleißfreie und kostengünstige Linearwegmessvorrichtung bereitgestellt werden, welche sich durch eine sehr hohe Zuverlässigkeit auszeichnet.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Teleskopfedereinheit kann sich die Messkapazität zwischen zwei einander zugewandten Oberflächen des Tauchrohrs und des Standrohrs ausbilden und von einer Eintauchtiefe des Standrohrs im Tauchrohr abhängig sein. Das Stützrohr kann elektrisch leitfähig ausgeführt werden und durch eine elektrisch isolierte Durchführung im Tauchrohr geführt werden. Zudem kann das Tauchrohr elektrisch leitfähig ausgeführt werden, wobei die Oberflächen des Tauchrohrs und des Standrohrs über einen Dichtring elektrisch gegeneinander isoliert werden können. Des Weiteren können das Standrohr und das Stützrohr elektrisch gegeneinander isoliert werden.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Teleskopfedereinheit kann die Feder über einen ersten elektrischen Kontakt elektrisch leitend mit dem Standrohr und über einen zweiten elektrischen Kontakt elektrisch leitend mit dem Stützrohr verbunden werden. Zudem kann die Auswerte- und Steuereinheit über ein erstes Kontaktelement elektrisch leitend mit dem Tauchrohr und über ein zweites Kontaktelement elektrisch leitend mit dem Stützrohr verbunden werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. In der Zeichnung bezeichnen gleiche Bezugszeichen Komponenten bzw. Elemente, die gleiche bzw. analoge Funktionen ausführen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Teleskopfedereinheit in einer unbelasteten Stellung mit einer erfindungsgemäßen Linearwegmessvorrichtung für einen Einfederweg der Teleskopfedereinheit.
2 zeigt eine schematische Darstellung der Teleskopfedereinheit aus 1 in einer eingefederten Stellung.
3 zeigt eine schematische Darstellung der Teleskopfedereinheit aus 1 mit elektrischer Kontaktierung und Ersatzschaltbildelementen der Linearmessvorrichtung.
4 zeigt eine Kennlinie der Messinduktivität der Linearmessvorrichtung aus 1 bis 3 in Abhängigkeit des Einfederwegs.
5 zeigt eine Kennlinie der Messkapazität der Linearmessvorrichtung aus 1 bis 3 in Abhängigkeit des Einfederwegs.
6 zeigt eine Kennlinie der Resonanzfrequenz der Linearmessvorrichtung aus 1 bis 3 in Abhängigkeit des Einfederwegs.
Ausführungsformen der Erfindung
Wie aus 1 bis 3 ersichtlich ist, umfasst das dargestellte Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Teleskopfedereinheit 1 eine Linearwegmessvorrichtung 20 für einen Einfederweg x, ein Standrohr 3, ein Tauchrohr 5, ein Stützrohr 7 und eine elektrisch leitende Feder 10, welche innerhalb des Standrohrs 3 angeordnet und zwischen dem Standrohr 3 und dem Stützrohr 7 eingespannt ist. Das Standrohr 3 ist in Bezug auf das Stützrohr 7 und das Tauchrohr 5 axial beweglich gelagert. Das Standrohr 3 taucht beim Einfedern gegen die Kraft der Feder 10 in das Tauchrohr 5 ein und staucht die Feder 10. Das bedeutet, dass das Standrohr 2 beim Einfedern tiefer in das Tauchrohr 5 eintaucht.
Die Linearwegmessvorrichtung 20 für einen Einfederweg x der Teleskopfedereinheit 1 umfasst die elektrisch leitende Feder 10, welche eine Messinduktivität L ausbildet. Die Messinduktivität L ist von einer wirksamen Länge l der Feder 10 abhängig, wobei die Feder 10 an ihren Enden jeweils einen elektrischen Kontakt 12, 14 aufweist und über entsprechende elektrische Verbindungen mit einer Messkapazität C und einer Auswerte- und Steuereinheit 22 verbunden ist. Hierbei bildet die Messinduktivität L mit der Messkapazität C einen elektrischen LC-Schwingkreis 24 aus, dessen Resonanzfrequenz f die Auswerte- und Steuereinheit 22 misst. Die Resonanzfrequenz f ergibt sich als Funktion des Einfederwegs x. Im dargestellten Ausführungsbeispiel berechnet die Auswerte- und Steuereinheit 22 einen aktuellen Einfederweg x basierend auf der gemessenen Resonanzfrequenz f des LC-Schwingkreises 24.
Die elektrisch leitende Feder 10 fungiert im dargestellten Ausführungsbeispiel prinzipiell als Spule, deren Messinduktivität L gemäß Gleichung (1) berechnet werden kann.
Hierbei bezeichnen µ₀ die magnetische Feldkonstante, N die Windungszahl, A die Querschnittsfläche und l die wirksame Länge der Feder 10 bzw. Spule. Bis auf die Länge l bleiben beim Einfedern der korrespondierenden Feder 10 alle Größen nahezu identisch und durch die Stauchung bzw. Einfederung der Feder 10 steigt die Messinduktivität L. Wie aus 1 weiter ersichtlich ist, weist die Feder 10 im unbelasteten Zustand der Teleskopfedereinheit 1 einen Einfederweg x mit dem Wert 0 und eine erste wirksame Länge l1 auf. In einem in 2 dargestellten teilweise eingefederten Zustand der Teleskopfedereinheit 1 weist die Feder 10 eine zweite wirksame Länge l2 auf, welche kleiner als die erste wirksame Länge l1 ist. Bei typischen Federabmessungen weist die wirksame erste Länge l1 im nicht eingefederten Zustand beispielsweise einen Wert von ca. 200mm auf. Die Windungszahl N hat beispielsweise einen Wert von 10 und der Durchmesser d der Feder 10 weist beispielsweise einen Wert von ca. 20mm auf. Dadurch ergibt sich für die Messinduktivität L im unbelasteten Zustand der Teleskopfedereinheit 1 beispielsweise ein Wert von ca. 0,13 µH, wie aus 4 ersichtlich ist.
Wie aus 1 bis 3 weiter ersichtlich ist, bilden im dargestellten Ausführungsbeispiel Komponenten der Teleskopfedereinheit 1 die elektrischen Verbindungen und die Messkapazität C aus. So bildet sich die Messkapazität C in Form eines Zylinderkondensators zwischen zwei einander zugewandten Oberflächen des Tauchrohrs 5 und des Standrohrs 3 aus. Die Messkapazität C des Zylinderkondensators ist von einer Eintauchtiefe T des Standrohrs 3 im Tauchrohr 5 abhängig und berechnet sich gemäß Gleichung (2). Da sich beim Einfedern die wirksame Fläche des Zylinderkondensators vergrößert, steigt auch die Messkapazität C.
Hierbei bezeichnen ε₀ die elektrische Feldkonstante, ε_r die relative Permittivität, r_a den Innenradius des Tauchrohrs 5, r_i den Außenradius des Standrohrs 3 und T die wirksame Eintauchtiefe des Standrohrs 3 im Tauchrohr 5. Bis auf die Eintauchtiefe T bleiben beim Einfedern der Teleskopfedereinheit 1 alle Größen nahezu identisch und durch die Einfederung der Teleskopfedereinheit 1 steigt die Messkapazität C.
Wie aus 1 weiter ersichtlich ist, ergibt sich im unbelasteten Zustand der Teleskopfedereinheit 1 eine erste wirksame Eintauchtiefe T1 und in einem in 2 dargestellten teilweise eingefederten Zustand eine zweite wirksame Eintauchtiefe T2, welche größer als die erste wirksame Eintauchtiefe T1 ist. Bei typischen Abmessungen der Teleskopfedereinheit 1 weist die wirksame erste Eintauchtiefe T1 im nicht eingefederten Zustand der Teleskopfedereinheit 1 beispielsweise einen Wert von 50mm auf. Der Außenradius r_i des Standrohrs 3 weist beispielsweise einen Wert von 10mm auf, und der Innenradius r_a des Tauchrohrs 5 weist beispielsweise einen Wert von ca. 12mm auf. Dadurch ergibt sich für die Messkapazität C im unbelasteten Zustand der Teleskopfedereinheit 1 beispielsweise ein Wert von ca. 0,6 nF, wie aus 5 ersichtlich ist.
Wie aus 3 weiter ersichtlich ist, bilden die Messinduktivität L und die Messkapazität C zusammen einen elektrischen LC-Schwingkreis 24 mit einer Resonanzfrequenz f, welche sich nach Gleichung (3) berechnet.
Dadurch, dass die Messinduktivität L und die Messkapazität C mit zunehmendem Einfederweg x zunehmen, ergibt sich eine große Sensitivität mit einer Abnahme der Resonanzfrequenz f von mehreren 100 kHz/cm, wie aus 6 ersichtlich ist.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Feder 10 an der Oberfläche mit einer isolierenden Schicht versehen, die beispielsweise durch Lackieren und/oder eine Pulverbeschichtung aufgebracht werden kann. Die Feder 10 ist an einem Ende über einen ersten elektrischen Kontakt 12 elektrisch leitend mit dem Standrohr 3 verbunden. Am anderen Ende ist die Feder über einen zweiten Kontakt 14 elektrisch leitend mit dem Stützrohr 7 verbunden. Das Stützrohr 7 ist elektrisch leitfähig und wird durch das Standrohr 3 geführt. Daher weist das Stützrohr 7 an einer an einer Innenwand des Standrohrs 3 anliegenden Wand eine elektrische isolierende Schicht 7.2 auf. Zudem ist das Stützrohr 7 durch eine elektrisch isolierte Durchführung 5.2 im Tauchrohr 5 nach außen geführt. Das Tauchrohr 5 ist ebenfalls elektrisch leitfähig. Die einander zugewandten Oberflächen des Tauchrohrs 5 und des Standrohrs 3 sind über einen Dichtring 9 elektrisch gegeneinander isoliert. Die Auswerte- und Steuereinheit 22 ist über ein erstes Kontaktelement 5.1 elektrisch leitend mit dem Tauchrohr 5 und über ein zweites Kontaktelement 7.1 elektrisch leitend mit dem Stützrohr 7 verbunden.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ermöglichen die Bestimmung eines Einfederwegs einer Teleskopfedereinheit über die Messung einer korrespondierenden Resonanzfrequenz. Aus der Resonanzfrequenz kann mit Hilfe eines mathematischen Algorithmus der Einfederweg berechnet werden. In vorteilhafter Weise sind bis auf die elektronischen Komponenten zur Messung der Resonanzfrequenz und zur Berechnung des Einfederwegs keinerlei zusätzliche Komponenten erforderlich.
Ausführungsbeispiele der Erfindung können beispielsweise direkt in die Teleskopfedereinheit der Teleskopfederung integriert werden und beispielsweise in Motorradgabeln, Fahrradgabeln usw. eingesetzt werden. Informationen über den aktuellen Einfederweg können beispielsweise für adaptive Fahrwerke oder zur Einstellung der Gabelhärte verwendet werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007017308 B4 [0004]

Claims

Linearwegmessvorrichtung (20) für einen Einfederweg (x) einer Teleskopfedereinheit (1) mit einer elektrisch leitenden Feder (10), dadurch gekennzeichnet, dass die Feder (10) eine Messinduktivität (L) ausbildet, welche von einer wirksamen Länge (l) der Feder (10) abhängig ist, wobei die Feder (10) an ihren Enden jeweils einen elektrischen Kontakt (12, 14) aufweist und über entsprechende elektrische Verbindungen mit einer Messkapazität (C) und einer Auswerte- und Steuereinheit (22) verbunden ist, wobei die Messinduktivität (L) mit der Messkapazität (C) einen elektrischen LC-Schwingkreis (24) ausbildet, dessen Resonanzfrequenz (f) die Auswerte- und Steuereinheit (22) misst, wobei die Resonanzfrequenz (f) sich als Funktion des Einfederwegs (x) ergibt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerte- und Steuereinheit (22) basierend auf der gemessenen Resonanzfrequenz (f) des LC-Schwingkreises (24) einen aktuellen Einfederweg (x) berechnet.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Komponenten der Teleskopfedereinheit (1) die elektrischen Verbindungen und/oder die Messkapazität (C) ausbilden.
Teleskopfedereinheit (1) mit einer Linearwegmessvorrichtung (20) für einen Einfederweg (x), einem Standrohr (3), einem Tauchrohr (5), einem Stützrohr (7) und einer elektrisch leitenden Feder (10), welche innerhalb des Standrohrs (3) angeordnet und zwischen dem Standrohr (3) und dem Stützrohr (7) eingespannt ist, wobei das Standrohr (3) in Bezug auf das Stützrohr (7) und das Tauchrohr (5) axial beweglich gelagert ist, und wobei das Standrohr (3) beim Einfedern gegen die Kraft der Feder (10) in das Tauchrohr (5) eintaucht und die Feder (10) staucht, dadurch gekennzeichnet, dass die Linearwegmessvorrichtung (20) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3 ausgeführt ist.
Teleskopfedereinheit nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Messkapazität (C) zwischen zwei einander zugewandten Oberflächen des Tauchrohrs (5) und des Standrohrs (3) ausbildet und von einer Eintauchtiefe (T) des Standrohrs (3) im Tauchrohr (5) abhängig ist.
Teleskopfedereinheit nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Stützrohr (7) elektrisch leitfähig ist und durch eine elektrisch isolierte Durchführung (5.2) im Tauchrohr (5) geführt ist.
Teleskopfedereinheit nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Tauchrohr (5) elektrisch leitfähig ist, wobei die Oberflächen des Tauchrohrs (5) und des Standrohrs (3) über einen Dichtring (9) elektrisch gegeneinander isoliert sind.
Teleskopfedereinheit nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Standrohr (3) und das Stützrohr (7) elektrisch gegeneinander isoliert sind.
Teleskopfedereinheit nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Feder (10) über einen ersten elektrischen Kontakt (12) elektrisch leitend mit dem Standrohr (3) und über einen zweiten elektrischen Kontakt (14), elektrisch leitend mit dem Stützrohr (7) verbunden ist.
Teleskopfedereinheit nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerte- und Steuereinheit (22) über ein erstes Kontaktelement (5.1) elektrisch leitend mit dem Tauchrohr (5) und über zweites Kontaktelement (7.1) elektrisch leitend mit dem Stützrohr (7) verbunden ist.