DE19811982A1

DE19811982A1 - Ultraschall-Luftfeder

Info

Publication number: DE19811982A1
Application number: DE1998111982
Authority: DE
Original assignee: MICROSONIC GES fur MIKROELEKT
Current assignee: MICROSONIC GMBH, DE
Priority date: 1998-03-19
Filing date: 1998-03-19
Publication date: 1999-09-23
Anticipated expiration: 2018-03-20
Also published as: DE19811982C5; DE19811982B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Ultraschall-Luftfeder mit einem elastischen Luftfederbalg zur Aufnahme von Federbewegungen und Befestigungsteilen, wobei der Luftfederbalg ein erstes Ende und ein dem ersten Ende gegenüberliegendes zweites Ende aufweist, welche relativ zueinander beweglich angeordnet sind, und einem Ultraschallsensor zur Erfassung des Abstands zwischen dem ersten und dem zweiten Ende des Luftfederbalgs, wobei der Ultraschallsensor einen Ultraschallwandler enthält, der für eine hohe Frequenz ausgelegt ist und piezoelektrisches Wandlerelement sowie eine Anpaßschicht aufweist, dessen Dicke ein Viertel der wandlereigenen Wellenlänge beträgt.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Ultra schall-Luftfeder, welche eine berührungslose Abstandsmessung zwischen einer oberen Platte (einem ersten Ende) und einem unteren Kolben bzw. Puffer (einem zweiten Ende) eines elasti schen Luftfederbalgs ermöglicht.

Luftfedern dienen als Federelement an Nutzfahrzeugen und in jüngster Zeit auch als Federelement in Hochgeschwindig keitszügen. Die Luftfeder sitzt dabei als Feder- und Dämp fungselement zwischen Achse und Fahrzeugaufbau. In der Regel sind auf einer Achse links und rechts in der Nähe der Räder jeweils eine Luftfeder montiert. Weitere Anwendungen finden sich an Personenkraftwagen und an stationären Industrieanla gen.

Eine Luftfeder weist üblicherweise einen elastischen Luft federbalg zur Aufnahme der Federbewegungen und Befestigungs teile auf. Der Luftfederbalg selber enthält Deckschichten aus Elastomer-Werkstoffen, Gewebeeinlagen und einen Stahldraht kern. Der Luftfederbalg ist an den beiden offenen Enden mit tels Befestigungsteilen abgedichtet und am Fahrzeug befe stigt. In der Luftfeder kann ein Puffer angeordnet sein, der als Endanschlag und Notlauffeder dient, wenn die Luftfeder vollständig zusammengedrückt wird. Fig. 1 veranschaulicht den prinzipiellen Aufbau einer Luftfeder.

Über einen Kompressor, einen Druckluft-Vorratsbehälter und ein steuerbares Ventil wird Luft in die Luftfeder einge bracht. Dies bewirkt ein Aufblasen und Aufrichten der Luftfe der. Der Fahrzeugaufbau wird angehoben. Die eingebrachte Luftmenge bestimmt den Hub, d. h. wie weit der Aufbau angeho ben wird. Die Kompressibilität der Luft bewirkt die Feder- und Dämpfungsfunktion der Luftfeder. Über ein weiteres Ventil kann die Luft aus der Luftfeder wieder entfernt werden. Dies bewirkt ein Absenken des Fahrzeugaufbaus. In der Regel wird die zu entfernende Luft einfach in die Umgebung abgelassen.

Namhafte Hersteller derartiger Luftfederelemente sind z. B. ContiTech aus Hannover oder Firestone, USA.

Um einen Fahrzeugaufbau in die korrekte Position anzuhe ben, muß dessen Höhe relativ zur Achse bekannt sein. Stand der Technik ist es, an Aufbau und Achse Gestänge mit Gelenken anzubringen, die auf einen Drehwinkelsensor wirken. Eine Ver änderung der relativen Höhe zwischen Fahrzeugaufbau und Achse wirkt. Über die Gestänge auf den Drehwinkelsensor. Die Infor mation dieses Drehwinkelsensors wird in eine Steuereinheit eingelesen und dort in ein Höhensignal umgerechnet. Diese Steuereinheit dient dazu, den Fahrzeugaufbau in eine bestimm te Höhenposition zu bringen. Dies geschieht durch Einlassen und Ablassen von Luft in bzw. aus der Luftfeder. Die Steuer einheit wirkt auf entsprechende Ventile, die zwischen einem Druckluft-Vorratsbehälter und jeder Luftfeder und an Auslaß stutzen sitzen. Die Firma Wabco aus Hannover hat eine derar tige Steuereinheit für den Einsatz an Nutzfahrzeugen entwic kelt. Über die Rückmeldung der Drehwinkelsensoren regelt die Steuereinheit die Luftmenge in jeder Luftfeder nach, so daß die Höhenposition des Fahrzeugaufbaus ständig auf ein vorge gebenes Niveau nachgeregelt wird. Über ein Handbediengerät kann der Fahrzeugführer auch den Fahrzeugaufbau in jede be liebige Höhe innerhalb des Hubs der Luftfedern bringen. Dies ist besonders nützlich, da für das Be- und Entladen eines Lkw die Ladefläche an die Höhe einer Fahrzeugrampe angepaßt wer den kann. Ein anderes Beispiel ist der Einsatz an Linienbus sen. Sogenannte Niederflurbusse sind in der Lage, den Fahr zeugaufbau nur auf der rechten Seite abzusenken, um den Pas sagieren einen komfortablen Ein- und Ausstieg zu ermöglichen.

Während der Fahrt eines mit Luftfedern ausgestatteten Fahrzeuges veranlaßt die Steuereinheit, daß der Fahrzeugauf bau auf einer vom Fahrzeughersteller vorgegebenen Position gehalten wird. Der Drehwinkelsensor meldet fortlaufend die aktuelle Positionen des Fahrzeugaufbaus an die Steuereinheit zurück.

Nachteilig bei dem heute eingesetzten Drehwinkelsensor ist der mechanische Aufwand für die notwendigen Gestänge, die den Höhenunterschied zwischen Achse und Aufbau in eine Drehbewe gung umsetzen. Die Gestänge und der Drehwinkelsensor sind teuer in der Herstellung und Montage. Auch sind Drehwinkel sensoren störanfällig, da sie unterhalb des Fahrzeugaufbaus allen Witterungsbedingungen und dem Wasser und Dreck, den die Räder während der Fahrt aufwirbeln, ausgesetzt sind. In un ebenem Gelände können diese Gestänge auch abgefahren werden.

Die US-Patentschrift 4,798,369 beschreibt eine Ultra schall-Luftfeder mit einem elastischen Luftfederbalg und ei nem Ultraschallsensor, der in einer oberen Platte des Luftfe derbalgs eingebaut ist und nach der Echo-Laufzeitmessung in nerhalb des Luftfederbalgs den Abstand zu einem unteren Kol ben mißt. Der Ultraschallsensor (Fig. 2), der nach der Echo-Lauf zeitmessung arbeitet, enthält einen Ultraschallgenerator 1, einen Ultraschall-Sendewandler 2, einen Ultraschall-Em pfangswandler 3, einen Signalverstärker 4, eine Steuerlogik 5 und eine Ausgangsstufe 6. Die Steuerlogik wird üblicherwei se mit einem Mikroprozessor verwirklicht. Die Funktionsweise ist wie folgt: Die Steuerlogik gibt auf den Ultraschallgene rator einen kurzen Triggerimpuls. Der Ultraschallgenerator erzeugt darauf einen einzelnen Impuls (Diracstoß) oder ein Schwingungspaket, der auf den Ultraschall-Sendewandler ge führt wird. Der Ultraschall-Sendewandler strahlt einen kurzen Schallimpuls ab. Dieser Schallimpuls läuft zu einem unteren Kolben, wird dort reflektiert und gelangt als Echo zurück zum Ultraschall-Empfangswandler. Im Verstärker wird das Echosi gnal verstärkt und auf die Steuerlogik geführt. Die Steuerlo gik mißt über einen internen Zähler die Zeit zwischen Aussen den des Schallimpulses und Empfang des Echosignals. Da die Schallgeschwindigkeit bekannt ist, kann über die so gemessene Echo-Laufzeit auf die Entfernung zwischen Ultraschallsensor und Kolben geschlossen werden.

Der gemessene Entfernungswert wird über die Ausgangsstufe an das Steuergerät ausgegeben. Der Einsatz eines Ultraschallsen sors in der Luftfeder hat den Vorteil, daß ein derartiger Sensor optimal gegen mechanische Beschädigungen geschützt ist. Die über den Kompressor in die Luftfeder eingeblasene Luft ist in der Regel gefiltert, entfeuchtet und entölt. So mit herrschen in der Luftfeder im Vergleich zu den Außenbe dingungen optimale Umgebungsbedingungen für eine Höhenmes sung.

Die in der US-Patentschrift 4,798,369 beschriebene Ultra schall-Luftfeder weist mehrere Nachteile auf:

Nachteil A Ultraschallwandler mit zu niedriger Ultra schallfrequenz

Die verwendete Ultraschallfrequenz ist mit 33 kHz bis 40 kH derart niedrig gewählt, daß der dafür vorgesehene Ultra schallsensor im Schallfeld einen sehr großen Öffnungswinkel besitzt. Es besteht die Gefahr, daß der Ultraschallsensor nicht nur ein Echo von dem gegenüberliegenden Kolben, sondern auch fälschlicherweise von der inneren Falte des Luftfeder balgs empfängt.

Eine Frequenz von 40 kHz entspricht einer Wellenlänge von ca. 9 mm. Die Wellenlänge geht bei einer Echo-Laufzeitmessung maßgeblich in die erzielbare Meßgenauigkeit ein. Die Meßge nauigkeit bzw. das Auflösungsvermögen beträgt üblicherweise etwa eine Wellenlänge. Soll ein Fahrzeugaufbau mit einer Ge nauigkeit von ±3 mm im Niveau positioniert werden, ist dies mit einem Ultraschall-Höhensensor mit einer Frequenz von 40 kHz nicht oder nur mit erheblichem elektronischem Aufwand möglich.

Der erforderliche Meßbereich, den ein Ultraschallsensor in einer Luftfeder abdecken muß, beträgt etwa 0 mm bis 500 mm. Ist kein Überdruck in der Luftfeder vorhanden, ist diese vollständig zusammengedrückt: die obere Platte liegt auf dem unteren Kolben bzw. auf einem Puffer auf. Der Abstand zwi schen dem Ultraschallsensor, der auf oder in der oberen Plat te montiert ist, und dem Puffer beträgt unter Umständen nur wenige mm. Ist der Luftfederbalg vollständig aufgeblasen, be trägt der Abstand zwischen Platte und Kolben z. B. 500 mm.

Der in der oben angeführten Patentschrift beschriebene niederfrequente Ultraschallwandler ist in bezug auf eine Ver wendung zur Abstandsmessung in einem Luftfederbalg dahinge hend nachteilig, daß bedingt durch seinen Aufbau der soge nannte Nahbereich sehr groß ist und typischerweise bei über 20 cm liegt. Will man nämlich mit nur einem Ultraschallwand ler den Sendeimpuls abstrahlen und anschließend über densel ben Ultraschallwandler die Echosignale empfangen, muß mit dem Empfang der Echosignale so lange gewartet werden, bis der Sendeimpuls vollständig abgeklungen ist. Bei niederfrequenten Ultraschallwandlern mit piezoelektrischem Wandlerelement liegt der Nahbereich entsprechend der Aus- bzw. Nachschwing zeit typischerweise bei 20 cm und mehr. Ist jedoch eine Ab standsmessung von wenigen mm beabsichtigt, müssen zwei Ultra schallwandler in dem Ultraschallsensor vorgesehen werden, nämlich ein Ultraschallwandler zum Senden des Schallimpulses und ein Ultraschallwandler zum Empfangen der Echosignale. Nur so kann bei Ultraschallwandlern mit langer Nachschwingzeit der Nahbereich drastisch verkürzt werden. Jedoch vergrößert der Einsatz von zwei getrennten Ultraschallwandlern zum Sen den und Empfangen von Ultraschall- bzw. Echosignalen die me chanischen Abmessungen des Ultraschallsensors und verteuert ihn erheblich.

Nachteil B Hohe Rauschpegel besonders beim Ein- oder Aus strömen der Luft

Wird Luft über die Ventile in die Luftfeder ein- oder aus gelassen, entsteht an den Lufteinlässen parasitärer Ultra schall. Dieses Phänomen ist bekannt. Wird beispielsweise ein Ventil aus einem Autoreifen herausgeschraubt, entsteht ein sehr hoher Pfeifton. Das so entstehende Ultraschall-Rauschen reicht weit über den 40 kHz-Frequenzbereich hinaus. D. h. in dem Moment, wo der Ultraschallsensor ein aktuelles Höhensi gnal liefern soll, empfängt er, hervorgerufen durch die nied rigere Ultraschall-Frequenz und den großen Schallfeld öffnungswinkel, einen sehr hohen Rauschpegel. Versuche haben ergeben, daß dieser Rauschpegel deutlich über dem Nutzsignal liegt. In dieser Phase ist eine Entfernungsmessung nicht mög lich.

Nachteil C Keine Lösung für Temperaturkompensation

Ferner ist bei der oben beschriebenen Ultraschall-Luft feder nach dem Stand der Technik eine Kompensierung der Temperaturabhängigkeit der Schallgeschwindigkeit als Störgrö ße nicht vorgesehen. Als Richtwert sei hier die Abhängigkeit mit 0,17°C genannt. Ändert sich beispielsweise die Lufttempe ratur um z. B. ±20°C, bewirkt dies einen Meßfehler von ca. ±3,4%. Legt man eine maximale Meßstrecke von 500 mm zu grunde, bewirkt dies einen Meßfehler von ±17 mm. Bei einer angestrebten Genauigkeit von z. B. ±3 mm ist es also not wendig, diese Störeinflüsse zu kompensieren.

Wird Luft in den Luftfederbalg eingelassen, bewirkt die Kompression der Luft einen sehr schnellen Anstieg der Luft temperatur. Bei praktischen Versuchen wurden Temperatursprün ge von über 50°C gemessen. Umgekehrt kühlt sich die Luft in dem Luftfederbalg sehr schnell und sehr stark ab, wenn Luft aus der Luftfeder ausgelassen wird. Diese sehr starken Tempe ratursprünge nehmen mit Erreichen des Druckgleichgewichtes wieder ab. Die Ausgleichvorgänge können zwei Minuten Zeit be anspruchen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine aus der US-P-4,798,369 bekannte Ultraschall-Luftfeder derart weiterzubilden, daß die oben genannten Nachteile A, B und C vermieden werden.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch die kennzeichnenden Merkmale der nebengeordneten unabhängigen Ansprüche.

Lösung zu A Einsatz eines Ultraschallwandlers hoher Fre quenz mit Anpaßschicht

Demgemäß enthält der Ultraschallsensor einer Ultraschall-Luft feder nur einen Ultraschallwandler, der für eine hohe Frequenz ausgelegt ist und ein piezoelektrisches Wandlerele ment sowie einen Anpassungskörper aufweist, dessen Dicke ein Viertel der wandlereigenen Wellenlänge beträgt.

Der Ultraschallwandler arbeitet bei einer hohen Frequenz von mindestens 60 kHz und besitzt einen verringerten Nahbe reich und Schallfeld-Öffnungswinkel, wodurch sich eine Erhö hung des Meßbereichs sowie eine Erhöhung der Meßgenauigkeit ergibt.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die vorliegende Erfindung wird in der nachfolgenden Be schreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert.

Fig. 1 veranschaulicht den prinzipiellen Aufbau der er findungsgemäßen Ultraschall-Luftfeder;

Fig. 2 zeigt ein Schaltungsdiagramm eines Ultraschallsen sors;

Fig. 3 zeigt die Anordnung eines Ultraschallsensors in einem zylindrischen Dom, der an dem oberen Ende eines Luftfe derbalgs angebracht ist;

Fig. 4 zeigt die Anordnung eines Ultraschallsensors in einem sich nach außen verjüngenden Dom, der an einer oberen Platte (einem ersten Ende) eines Luftfederbalgs angebracht ist;

Fig. 5 zeigt eine Rauschpegelerkennungsschaltung des Ul traschallsensors;

Fig. 6 stellt die Anordnung eines Referenzreflektors an der Innenseite des sich nach außen verjüngenden Doms dar; und

Fig. 7 zeigt die kugelförmige Oberflächenausbildung der dem Ultraschallsensor zugewandten Seite des Kolbens bzw. des Puffers (des zweiten Endes) des Luftfederbalgs.

Fig. 8 zeigt einen Impuls-Ultraschallwandler

Fig. 9 stellt ein Flußdiagramm dar sowie

Fig. 10 ist ein Zeitdiagramm

Fig. 1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der vorlie genden Erfindung. Demgemäß enthält die erfindungsgemäße Ul traschall-Luftfeder 20 einen Luftfederbalg 22, der eine obere Platte 24 (erstes Ende) und einen mit einem Puffer 27 verse henen Kolben 26 (zweites Ende) aufweist, und einen Ultra schallsensor 30, der einen extrem hochfrequenten Ultraschall wandler 2/3 aufweist. Der Ultraschallwandler besitzt ein pie zoelektrisches Wandlerelement und eine darauf angeordnete so genannte Lambda/4-Anpaßschicht. Die Lambda/4-Anpaßschicht dient dazu, die unterschiedlichen Wellenwiderstände zwischen dem aus einer Piezokeramik bestehenden Wandlerelement und der Umgebungsluft anzupassen. Im folgenden wird der Aufbau und die Funktionsweise derartig aufgebauter Ultraschallwandler dargestellt. Einem Kunstharz werden Glashohlkugeln beige mischt. Aus diesem Material werden Scheiben gewonnen, die in ihrer Stärke ein Viertel der Wellenlänge der zu verwendenden Ultraschallfrequenz betragen und die Lambda/4-Anpaßschicht bilden. Auf die Rückseite einer derartigen als Scheibe ausge bildeten Lambda/4-Anpaßschicht sind in der Mitte eine Piezo scheibe und ein darum angeordneter Schwingring bzw. Metall ring geklebt. Die Lambda/4-Anpaßschicht und der Schwingring bilden zusammen eine Lambda/2-Schicht. Das derart ausgebilde te Schwingelement ist weich gelagert z. B. in einem PU-Schaum oder in einem Silikon. Ultraschallwandler nach diesem Funkti onsprinzip lassen sich gut für einen Frequenzbereich von ty pischerweise 60 kHz bis 400 kHz aufbauen. Sie zeichnen sich durch eine scharfe Bündelung des Schallfelds und ein kurzes Aus- bzw. Nachschwingen aus. Für die Anwendung im Luftfeder balg eignen sich vorzugsweise Ultraschallwandler, die bei ei ner Frequenz von mindestens 100 kHz arbeiten. Besonders ge eignet ist der Frequenzbereich zwischen 300 und 400 kHz. Ein 400 kHz Ultraschallwandler obiger Gattung hat einen Nahbe reich von nur 60 mm und eine sehr schlanke Schallkeule.

Als Lambda/4-Anpaßschicht eignen sich auch noch andere Ma terialien wie zum Beispiel PE (Polyethylen). Hervorragende Eigenschaften hat auch das Naturprodukt Kork, allerdings ist dessen Verarbeitung nicht unproblematisch.

Versuche mit dem oben beschriebenen 400 kHz Ultraschallwand ler haben gute Meßwerte über den gesamten Meßbereich gezeigt. Allerdings ist ein Nahbereich von 60 mm für diese Anwendung immer noch recht hoch. Vorzugsweise wird der Ultraschallsensor 30 um den Nahbereich nach hinten versetzt in einem auf der oberen Platte 24 angebrachten Dom 32 angeordnet (Fig. 3). Der Dom ist zylindrisch ausgebildet und besitzt erfindungsge mäß einen Durchmesser, der wenigstens 5 mal größer ist als die Apertur des Ultraschallwandlers 2/3 ist. Dies ist notwendig, um eine nicht zu hohe Schalldichte im Bereich der Domwandun gen zu bekommen. So kann vermieden werden, daß kleinste, un vermeidbare Rauhigkeiten oder Schmutzpartikel auf der Innen wand zu Störreflexionen führen. Versuche haben gezeigt, daß bei einem Innendurchmesser von 30 mm das Risiko von Större flexionen ausreichend gering ist. Natürlich wäre ein noch größerer Domdurchmesser vorteilhafter; jedoch ist dieser in der Regel aufgrund der begrenzten Einbaubedingungen in der oberen Platte nicht realisierbar. Der Dom kann im oberen Be reich entsprechend Fig. 4 verjüngt sein. Der Dom öffnet sich konisch oder parabelförmig.

Derartige Anordnungen bergen allerdings nach wie vor die Ge fahr, daß bei geringsten Schmutzablagerungen innerhalb des Doms es dort zu Schallreflexionen kommt. Will man diese Nachteile vermeiden, muß man den Ultraschallsensor 30 bündig mit dem Ultraschallwandler 2/3 in die obere Platte 22, d. h. in das erste Ende, des Luftfederbalgs einlassen. In dieser Einbaulage wäre aber ein noch kürzerer Nahbereich vorteil haft.

Man könnte den oben beschriebenen Ultraschallwandler stärker bedämpfen, dies reduziert jedoch gleichzeitig das Übertra gungsmaß und schränkt somit die maximal erreichbare Tastweite ein.

Weitere Verbesserungen bringt der Einsatz sogenannter Im puls-Ultraschallwandler 41 (Fig. 8). Bei diesem Typ von Ul traschallwandler wird aus einem Material mit guten akusti schen Koppeleigenschaften ein Topf 43 gebildet, in dem eine Piezoscheibe 40 geklebt wird. Die Dicke der radial schwingen den Piezoscheibe 40 beträgt vorteilhafterweise etwa 5% des Durchmessers derselben. Der gesamte Topf 43 besteht vorzugs weise wieder aus mit Glashohlkugeln verfülltem Epoxidharz. Die Dicke des Schwingbodens beträgt Lambda/4. Der Topf hat auf der äußeren Bodenseite umlaufend eine Phase von vorzugs weise 45°, die in ihrer Größe so gewählt ist, die Stirnseite etwa den gleichen Durchmesser wie die Piezoscheibe erhält. Der Topfinnenraum wird mit einem Dämpfungsmaterial 42 gefüllt (Wellensumpf). Der Schwingkörper wird in einem weichen Mate rial wie z. B. PU-Schaum gelagert. Der Impuls-Ul traschallwandler wird bündig in den PU-Schaum eingegossen, so daß nur die schallabstrahlende Fläche herausragt. Läßt man den Schwingkörper geringfügig weiter aus den PU-Schaum her ausstehen, z. B. bis zum Ansatz der umlaufenden Phase 44, kann man hierdurch vorteilhafterweise das Übertragungsmaß noch et was erhöhen.

Dieser Ultraschallwandler ist breitbandig und hat somit günstigere Ein- und Ausschwingzeiten. Für den Einsatz im Luftfederbalg wurde ein Ultraschallwandler aufgebaut, der ei ne typische Ultraschallfrequenz von 320 kHz und einen Nahbe reich von nur noch 30 mm aufweist. Ein Ultraschallsensor, ausgerüstet mit diesem Ultraschallwandler kann bündig in die obere Platte eingebaut werden. Mit 30 mm Nahbereich wird der Kolben bzw. der Puffer auch noch sicher erkannt, wenn die Platte auf dem Puffer aufliegt.

Lösung zu B elektronische Rauschunterdrückung

Praktische Versuche haben gezeigt, daß je nach Aufbau der Ventile und der Einführungsstutzen beim Ein- und Auslassen der Luft ein "Pfeifen" auftritt, wodurch ein Ultraschallrau schen erzeugt wird. Insbesondere ist das Öffnen eines Ventils sehr kritisch.

Erfindungsgemäß ist eine dem Ultraschallwandler 2/3 nach geschaltete Signalverarbeitungsschaltung mit einer Rauschpe gelerkennungsschaltung ausgestattet (Fig. 5). Diese Rauschpegelerkennungsschaltung sorgt dafür, daß die Empfind lichkeit des Analogverstärkers zurückgenommen wird, wenn die Echosignale von Rauschsignalen überlagert werden. Dies kann durch zwei Maßnahmen erreicht werden, die entweder einzeln oder in Kombination angewandt werden:
Über eine Tiefpaßschaltung 9 wird aus dem über den Gleich richter 7 gleichgerichteten Empfangssignal der zeitliche Mit telwert gebildet. Dieses quasi Gleichspannungssignal wird auf den Wechselspannungsverstärker 4 zurückgekoppelt, so daß bei einem Anstieg des zeitlichen Mittelwerts die Verstärkung des Wechselspannungsverstärker zurückgenommen wird. Der Aufbau derartiger Filter und Verstärker ist hinlänglich bekannt und kann u. a. in dem Standardwerk "Halbleiterschaltungstechnik" von U. Tietze und Ch. Schenk, Springer Verlag nachgelesen werden. Empfängt der Ultraschallwandler nun ein lang anhal tendes Rauschsignal, z. B. hervorgerufen durch das Öffnen ei nes der Luftventile, steigt die Ausgangsspannung nach dem Tiefpaßfilter an und regelt den Wechselspannungsverstärker zurück.

Aus dem verstärkten Echosignal wird in der letzten Stufe über einen Komparator 7 eine Ein-Bit-Information gewonnen. Diese Ein-Bit-Information enthält die Information darüber, ob ein Echo erfaßt wurde, und wird von einer Logik- bzw. Steuer schaltung 5 weiterverarbeitet. Die ausgekoppelte Regelspan nung wird auf eine Vergleichsspannung des Komparators gege ben. Bei einem großen Rauschpegel verschiebt die über der Tiefpaßschaltung gewonnene Regelspannung die Vergleichsspan nung nach oben; ein Echosignal muß, um erfaßt zu werden, über diese schwimmende bzw. variable Triggerschwelle kommen.

Wird jedoch z. B. das Ventil mitten im Meßzyklus geöffnet, kann dieser Störimpuls nicht von der Regelschaltung sofort ausgeglichen werden. Erfindungsgemäß filtert die Logikschal tung diese erstmaligen und auch etwaig einmalige, sporadische Störgeräusche aus, in dem nicht jede Messung einzeln, sondern mehrere Messungen ausgewertet werden. Die einfachste Filter variante besteht aus einem 2 aus 3 Vergleicher, d. h. von 3 hintereinander durchgeführten Messungen müssen wenigstens 2 Meßwerte in einem engen Toleranzbereich zusammenliegen (Fig. 9).

Lösung zu C Temperaturkompensation

Erfindungsgemäß wird der Einfluß der Temperatur auf die Schallgeschwindigkeit durch eine in den Ultraschallsensor 30 integrierte Temperaturmeßstelle 10 realisiert. Zur Messung der Temperatur eignen sich Infrarot-Strahlungsmesser, Thermo elemente, Thermistoren (NTC und PTC-Widerstände). Auch kann zur Temperaturmessung die Temperaturabhängigkeit einer pn-Sperrschicht genutzt werden.

Aufgrund ihres günstigen Preises und der einfachen Auswer teschaltungen sind besonders Thermistoren zur Temperaturmes sung geeignet.

Der Temperaturfühler wird vorzugsweise im Ultraschallsen sor in der Nähe des Ultraschallwandlers angeordnet. Bevorzugt kann ein Thermistor zusätzlich in dem PU-Schaum des Ultra schallwandlers eingebettet werden.

Der Temperaturmeßwert wird von der Steuerlogik, die bevor zugt durch einen Mikrocontroller realisiert wird, eingelesen und weiterverarbeitet.

Erfindungsgemäß wird das über eine sehr große Zeitkonstan te integrierte Temperatursignal zur Kompensation der stati schen Außentemperatur genutzt. Mit dem stark gedämpften Tem peratursignal werden - vereinfacht ausgedrückt - die Sommer-Winter Außentemperaturen kompensiert. Hier ist typischerweise ein Temperaturbereich von -40°C bis +85°C zu erfassen.

Neben der Umgebungstemperatur sind auch die differenziel len Temperaturänderungen, hervorgerufen durch die Kompression und Dekompression der Luft im Luftfederbalg zu kompensieren. Da eine Temperaturmessung in der Luft über einen Temperatur fühler generell mit sehr großen Zeitkonstanten verbunden ist, kann der Temperaturfühler den schnellen Temperaturgradienten nicht linear folgen.

Ein plötzlicher Druckanstieg auf das Öffnen des Ventils und Zuführen von Druckluft führt zu einem starken positiven Temperatursprung. Durch einen internen Ausgleichsvorgang in dem Luftfederbalg kehrt die Temperatur zurück zu ihrem Aus gangswert (abgesehen von geringfügigen internen, nicht um kehrbaren Erwärmungen in den Luftfederbalg). Der Temperatur fühler ist im Bereich des Ultraschallwandlers angeordnet und kann diesen Temperatursprüngen nur sehr langsam folgen. Dif ferenziert man das Temperatursignal nach der Zeit, kann man die differenziellen Temperatursprünge hinreichend genau kom pensieren bzw. erfassen.

Erfindungsgemäß wird in der nachgeschalteten Auswertung das Temperatursignal nach der Zeit differenziert. Praktische Versuche haben gezeigt, daß schnelle Temperaturänderungen mit einer kurzen Verzögerungszeit auf den Temperaturfühler durch schlagen. Es wurden Kennlinien aufgenommen, die den Zusammen hang zwischen der tatsächlichen Temperaturänderung und der an und von dem Temperaturfühler gemessenen Temperaturänderung darstellen (Fig. 10). Die nachgeschaltete Auswerteschaltung nimmt nun bei einer geringen Änderung an dem Temperaturfühler eine deutlich höhere Temperaturänderung der Luft an und "überkompensiert" den von dem Temperaturfühler gemessenen Temperaturmeßwert, d. h. die Auswerteschaltung schließt von der von dem Temperaturfühler über eine bestimmte Zeit gemes senen Temperaturänderung auf die tatsächliche Temperaturände rung. Da sich die Luftdruckänderungen im Luftfederbalg immer wieder ausgeglichen, reicht diese differenzielle Kompensation der Temperaturänderungen aus, um die Temperatursprünge von bis zu 55°C hinreichen genau zu kompensieren.

Es ist bekannt, daß man die Temperaturabhängigkeit einer Echolaufzeitmessung auch mit einem sogenannten Referenzre flektor kompensieren kann. Ein Referenzreflektor kann z. B. als schmaler Drahtbügel ausgebildet sein, der vor dem Ultra schallwandler 2/3 im Zentralstrahl angeordnet ist. Der Draht bügel muß dabei außerhalb des Nahbereichs des verwendeten Ul traschallwandlers liegen. Mit jeder Messung wird die Laufzeit zu dem Drahtbügel und die Laufzeit zu dem Kolben bzw. zu dem Puffer gemessen. Da die Entfernung zu dem Referenzreflektor bzw. zu dem Drahtbügel immer konstant ist, kann der Laufzeit wert zu dem Kolben auf den Laufzeitwert zu dem Drahtbügel normiert werden. Damit der Drahtbügel nicht störend in den Luftfederbalg hineinragt, wird der Ultraschallsensor 30 in einem Dom 32 montiert. Der Dom hat jetzt eine Höhe, die ge ringfügig größer als der Nahbereich des Ultraschallwandlers ist. Am unteren Ende, also an der Schallaustrittsöffnung des Doms wird der Referenzbügel quer über die Öffnung gelegt.

Nachteilig bei dieser Ausführungsform der Erfindung ist es, daß einerseits die Empfindlichkeit des Ultraschallsensors möglichst gering sein sollte, um keine Störreflexionen aus dem Dom zu empfangen, andererseits jedoch ein schmaler Draht bügel in nahezu gleicher Entfernung erkannt werden soll. Bei dieser Anordnung sind Mehrfachreflexionen kaum zu vermeiden. Das vom Drahtbügel ausgehende Echo wird nämlich an dem Ultra schallwandler selber wieder reflektiert und läuft zurück zum Drahtbügel. Dort wird es wieder reflektiert und gelangt wie derum zum Ultraschallwandler. Es tritt somit eine unbestimmte Anzahl von Mehrfachreflexionen auf.

Erfindungsgemäß kann ein Referenzreflektor vorteilhaft in einem konisch oder vorzugsweise parabolisch nach außen sich verjüngenden Dom 32 realisiert werden (Fig. 6), wenn auf der Innenseite des Doms in dem unteren Bereich eine kleine Re flektornase 34 angebracht wird. Diese Reflektornase liegt nicht mehr direkt im Zentralstrahl des Schallfelds. Die Re flexionsfläche der Reflektornase ist senkrecht zu der Strahlkomponente ausgerichtet. Eine Echoreflexion, die jetzt zum Wandler zurückläuft, dort empfangen und gleichzeitig wie der reflektiert wird, gelangt nun nicht wieder zurück zum Re ferenzreflektor bzw. zur Reflektornase, sondern tritt auf In nenseite des Doms aus.

Sehr häufig sind die Radaufhängungen an einem Fahrzeugauf bau 77 mit einer in einem Drehpunkt 78 gelagerten Schwinge 79 realisiert (Fig. 7). Der untere Kolben 26, 71 bewegt sich dann über den Hub der Luftfeder auf einer Kreisbahn. Erfin dungsgemäß wird die dem Ultraschallsensor 30, 74 zugewandte Seite des Kolbens 26, 71 bzw. des Puffers 27, d. h. das zweite Ende des Luftfederbalgs 22, 72, kugelförmig ausgestaltet, wo bei der Radius der Kugel so gewählt wird, daß in jeder Hubpo sition eine Strahlkomponente des Schallfelds senkrecht auf die Oberfläche des kugelförmig ausgebildeten Kolbens 26, 71 oder Puffers 27 auftritt. Wenn eine Strahlkomponente im rech ten Winkel auf das Segment der Kugeloberfläche auftrifft, verläuft die Strahlkomponente auch durch den Ursprung der Ku gel. Hier sind empirisch der optimale Einbauort des Ultra schallsensors in der oberen Platte bzw. in dem ersten Ende des Luftfederbalgs und der Radius der Kugeloberfläche des Kolbens oder Puffers zu ermitteln. Die Bezugszeichen 75 ste hen für Lufteinlaßventil, 73 für Luftauslaßventil und 76 für obere Befestigungsplatte.

Bezüglich weiterer Merkmale, Ausgestaltungen, Weiterent wicklungen und Vorteile wird ausdrücklich auf die Figuren verwiesen.

Claims

1. Ultraschall-Luftfeder mit:
einem elastischem Luftfederbalg (22) zur Aufnahme von Fe derbewegungen und Befestigungsteilen, wobei der Luftfeder balg ein erstes Ende (24) und ein dem ersten Ende gegen überliegendes zweites Ende (26, 27) aufweist, welche rela tiv zueinander beweglich angeordnet sind, und
einem Ultraschallsensor (30) zur Erfassung des Abstands zwischen dem ersten und dem zweiten Ende des Luftfeder balgs, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschallsensor einen Ultraschallwandler (2; 3) ent hält, der für eine hohe Frequenz ausgelegt ist und piezo elektrisches Wandlerelement sowie eine Anpaßschicht auf weist, dessen Dicke ein Viertel der wandlereigenen Wellen länge beträgt.

2. Ultraschall-Luftfeder mit:
einem elastischem Luftfederbalg (22) zur Aufnahme von Fe derbewegungen und Befestigungsteilen, wobei der Luftfeder balg ein erstes Ende (24) und ein dem ersten Ende gegen überliegendes zweites Ende (26, 27) aufweist, welche rela tiv zueinander beweglich angeordnet sind, und
einem Ultraschallsensor (30) zur Erfassung des Abstands zwischen dem ersten und dem zweiten Ende des Luftfeder balgs,
dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschallsensor einen Ultraschallwandler (2; 3) ent hält, der für eine hohe Frequenz ausgelegt ist und einen piezoelektrischen Radialschwinger (40), eine auf der ei nen Seite des Radialschwingers (40) angebrachte Anpaß schicht (41), deren dicke Lambda/4 beträgt, und ein auf der anderen Seite des Radialschwingers (40) angebrachtes Dämpfungsmaterial (42) hat.

3. Ultraschall-Luftfeder nach einem der vorangehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschallwandler in Form eines Topfes (43) ausgebildet ist und daß der Radial schwinger (40) am Boden des Topfes (43) angeordnet ist.

4. Ultraschall-Luftfeder nach einem der vorangehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß der Topf (43) des Ultra schallwandlers mit Dämpfungsmaterial (42) ausgefüllt ist.

5. Ultraschall-Luftfeder nach einem der vorangehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß der Topf (43) an der schallabstrahlenden Seite eine umlaufende Phase (44) auf weist.

6. Ultraschall-Luftfeder nach einem der vorangehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschallwandler (2; 3) für eine Frequenz im Bereich von 60 kHz bis 400 kHz und vorzugsweise von 320 kHz bis 400 kHz ausgelegt ist.

7. Ultraschall-Luftfeder nach einem der vorangehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß die Anpaßschicht aus PE oder mit Glashohlkugeln versetztem Kunstharz besteht.

8. Ultraschall-Luftfeder nach einem der vorangehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschallsensor (30) an dem ersten Ende (24) des Luftfederbalgs (22) ange bracht ist und die Apertur des Ultraschallwandlers (2; 3) bündig damit abschließt.

9. Ultraschall-Luftfeder nach einem der vorangehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß ein Dom (32) an dem er sten Ende (24) des Luftfederbalgs (22) angebracht ist und sich nach außen erstreckt, wobei der Ultraschallsensor (30) in dem Dom derart angebracht ist, daß die Aperture des Ultraschallwandlers (2; 3) bündig mit dem ersten Ende des Luftfederbalgs abschließt oder beabstandet davon in nerhalb des Doms befindlich ist.

10. Ultraschall-Luftfeder nach einem der vorangehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Dom (32) zylin drisch ausgebildet ist und der Durchmesser des Doms grö ßer, insbesondere mindestens 5 mal größer, als der Durch messer der Apertur des Ultraschallwandlers (2; 3) ist.

11. Ultraschall-Luftfeder nach einem der vorangehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Dom konisch oder parabolisch, sich nach außen verjüngend ausgebildet ist und insbesondere der größte Durchmesser des Doms minde stens 5 mal größer als der Durchmesser der Apertur des Ultraschallwandlers (2; 3) ist.

12. Ultraschall-Luftfeder nach einem der vorangehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschallsensor (30) eine elektronische Steuerschaltung (Fig. 5) aufweist, die dem Ultraschallwandler über eine Ansteuerungsschaltung (1) Signale zuführt und über eine Signalverarbeitungs schaltung (4, 7, 8, 9) von dem Ultraschallwandler Signale empfängt, wobei die Signalverarbeitungsschaltung eine Rauschpegelerkennungsschaltung aufweist.

13. Ultraschall-Luftfeder nach einem der vorangehenden An sprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Rauschpe gelerkennungsschaltung einen Analogverstärker (4), dessen erster Eingang an dem Ultraschallwandler (2; 3) ange schlossen ist, einen Gleichrichter (7), dessen Eingang an dem Ausgang des Analogverstärkers angeschlossen ist und dessen Ausgang an einen ersten Eingang der Komparator schaltung (8) gekoppelt ist, und eine Tiefpaßschaltung (9) aufweist, deren Eingang an dem Ausgang des Gleichrichters angeschlossen ist und deren Ausgang an einem zweiten Ein gang des Analogverstärkers angeschlossen ist.

14. Ultraschall-Luftfeder nach einem der vorangehenden An sprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Rauschpe gelerkennungsschaltung einen Analogverstärker (4), dessen Eingang an dem Ultraschallwandler (2; 3) angeschlossen ist, einen Gleichrichter (7), dessen Eingang an dem Aus gang des Analogverstärkers angeschlossen ist, einen Kompa rator (8), dessen erster Eingang an dem Ausgang des Gleichrichters angeschlossen ist und dessen Ausgang an ei nem ersten Eingang der Steuerschaltung (5) angeschlossen ist, und eine Tiefpaßschaltung (9) aufweist, deren Eingang an dem Ausgang des Gleichrichters angeschlossen ist und deren Ausgang an einem zweiten Eingang des Komparators an geschlossen ist.

15. Ultraschall-Luftfeder nach einem der vorangehenden An sprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Rauschpe gelerkennungsschaltung einen Analogverstärker (4), dessen erster Eingang an dem Ultraschallwandler (2; 3) ange schlossen ist, einen Gleichrichter (7), dessen Eingang an dem Ausgang des Analogverstärkers angeschlossen ist, einen Komparator (8), dessen erster Eingang an dem Ausgang des Gleichrichters angeschlossen ist und dessen Ausgang an ei nem ersten Eingang der Steuerschaltung (5) angeschlossen ist, und eine Tiefpaßschaltung (9) aufweist, deren Eingang an dem Ausgang des Gleichrichters angeschlossen ist, deren erster Ausgang an einem zweiten Eingang des Analogverstär kers angeschlossen ist und deren zweiter Ausgang an einem zweiten Eingang des Komparators angeschlossen ist.

16. Ultraschall-Luftfeder nach einem der vorangehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschallsensor (30) einen Temperaturfühler (10) aufweist, der an die Steuerschaltung (5) angeschlossen ist.

17. Ultraschall-Luftfeder nach einem der vorangehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung (5) das Temperatursignal des Temperaturfühlers derart ver arbeitet, daß der über einen langen Zeitraum gemittelte Temperaturwert zur Kompensation der Umgebungstemperatur genutzt wird, die augenblicklich gemessenen Temperaturwer te nach der Zeit differenziert werden und die differenti ellen Temperaturänderungen zur Kompensation der durch Kom pression und Dekompression der Luft hervorgerufenen Tempe ratursprünge genutzt werden.

18. Ultraschall-Luftfeder nach einem der Ansprüche 1 bis 15, gekennzeichnet durch einen Referenzreflektor (34).

19. Ultraschall-Luftfeder nach einem der Ansprüche 1 bis 15 und/oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Referenzre flektor (34) als Ausbuchtung an der Innenseite des Doms vorgesehen ist und die Reflexionsfläche des Referenzre flektors im wesentlichen senkrecht zur Ultraschall-Ab strahlungsrichtung ausgerichtet ist.

20. Ultraschall-Luftfeder nach einem der vorangehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das dem Ultraschall sensor (30) zugewandte zweite Ende (26, 27) des Luftfeder balgs (22) kugelförmig ausgebildet ist und der Radius der art bestimmt ist, daß in jedem Hubzustand des Luftfeder balgs die Ultraschall-Abstrahlungsrichtung im wesentlichen senkrecht zur Oberfläche des zweiten Endes des Luftfeder balgs ausgerichtet ist.