DE10039761A1

DE10039761A1 - Verfahren zur Reduzierung von Schwingungen

Info

Publication number: DE10039761A1
Application number: DE2000139761
Authority: DE
Inventors: Holger Manz; Elmar Breitbach
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV; Volkswagen AG
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV; Volkswagen AG
Priority date: 2000-08-16
Filing date: 2000-08-16
Publication date: 2002-02-28

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reduzierung von Schwingungen, insbesondere zur weitestgehenden Verhinderung von Resonanzschwingungen zweier zueinander schwingbeweglicher Massen. DOLLAR A Es ist vorgesehen, dass die Eigenfrequenz einer schwingfähigen Masse durch Eintrag von mechanischen Spannungen in den Körper der schwingenden Masse derart verändert wird, dass sie nicht mit der Anregungsfrequenz der anderen, Schwingungen erzeugenden Masse übereinstimmt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reduzierung von Schwingungen mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Merkmalen.

Es ist bekannt, dass zur Schwingungsunterdrückung beziehungsweise zur Schwingungsreduzierung zwischen einem Schwingungserzeuger und einer zweiten schwingenden Masse Schwingungsdämpfer angeordnet werden, die eine Übertragung der Schwingungen reduzieren oder dämpfen. Insbesondere bei Fahrzeugen treten Schwingungen auf, die in Form von Geräuschen den Fahrkomfort erheblich beeinträchtigen. Die Ursache dieser Schwingungen und der daraus resultierenden Geräusche sind Schwingungen bewegter Massen, wie beispielsweise des Antriebsaggregates und durch die Fahrbahnanregung. Zur Dämpfung beziehungsweise zur Kompensation der übertragenen Schwingungen werden Schwingungsdämpfer an den betroffenen Bauteilen appliziert. Diese Schwingungsdämpfer sind beispielsweise Federelemente, wie Gummielemente oder Stoßdämpfer. Zur weiteren Reduzierung der Schwingungen wird gemäß der DE 196 42 827 A1 den Mitteln zur Kompensation der Schwingungen mindestens ein Aktuator beigeordnet, der aus mindestens einem ansteuerbaren Piezoelement besteht. Durch diese Anordnung soll erreicht werden, dass durch die Dehnungs- und Verkürzungsfähigkeit des Aktuators eine der Schwingbewegung gegenphasige Bewegung erzeugt wird, die die eigentliche Schwingbewegung kompensiert, so dass die Schwingbewegungen nicht auf weitere Bauteile übertragen werden. Dabei erfolgt die Anordnung des Aktuators wirkmäßig zwischen dem Fahrzeugaufbau und den Stoßdämpfern einer Fahrzeug- Radaufhängung.

Aus der DE 198 11 787 A1 ist bekannt, dass zur besseren Dämpfung oder zur Verhinderung der Übertragung von Vibrationsschwingungen und Dröhngeräuschen zwischen den Längsträgern und einem Frontmodul eines Kraftfahrzeuges eine Vibrationsminderungseinrichtung angeordnet ist, die ein oder mehrere Piezoaktuatoren umfasst.

Weiterhin ist aus der EP 0 720 144 A1 bekannt, dass zur Reduzierung der Schwingungen an den Karosserieteilen, insbesondere an den Blechteilen, eines Fahrzeuges aktiv geregelte Piezoelemente angeordnet sind. Die Piezoelemente haben die Aufgabe, in den Blechteilen eine Wölbung oder Biegung zu erzeugen, um dadurch eine der Schwingungsbewegung entgegengerichtete Schwingung zu bewirken.

Mittels des genannten Standes der Technik erfolgt zwar eine gute Dämpfung der Übertragung der Schwingungen in einem bestimmten Frequenzbereich, aber im Fall, dass die Anregungsfrequenz, die durch die Drehzahl des Antriebsaggregats oder durch die Fahrgeschwindigkeit hervorgerufen wird, nicht in dem vorbestimmten gedämpften Frequenzbereich liegt und mit der Eigenfrequenz der schwingbeweglichen Masse, zum Beispiel der Karosserie, übereinstimmt, können die Schwingungen nicht ausreichend gedämpft werden. Bei der Übereinstimmung der Anregungsfrequenz mit der Eigenfrequenz entsteht eine Resonanzschwingung mit bedeutend größerer Amplitude. Eine entsprechende ausreichende Dämpfung der Schwingung kann nicht mehr erfolgen. Der Fahrkomfort wird erheblich durch Schwingungen und/oder Geräusche beeinträchtigt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Resonanzschwingungen zwischen einem schwingfähigen Bauteil und einem Schwingungen erzeugenden System in allen Frequenzbereichen weitestgehend zu verhindern, um dadurch Dämpfungselemente einzusparen beziehungsweise zu reduzieren.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Reduzierung von Schwingungen mit den in dem Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst. Dadurch, dass die Eigenfrequenz einer schwingfähigen Masse durch Eintrag von mechanischen Spannungen in den Körper der schwingenden Masse derart verändert wird, dass sie nicht mit der Anregungsfrequenz der anderen, Schwingungen erzeugenden Masse übereinstimmt, werden Resonanzschwingungen zwischen dem schwingfähigen Bauteil und dem Schwingungen erzeugenden System nahezu ausgeschlossen. Die Schwingungen werden insgesamt reduziert. Durch die Vermeidung von Resonanzschwingungen wird der Fahrkomfort bei dem Einsatz der Erfindung in der Fahrzeugtechnik verbessert. Außerdem können Dämpfungsmaterialien beziehungsweise Dämpfungselemente, die zur Reduzierung von auftretenden Resonanzschwingungen benötigt werden, entfallen.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Veränderung der Eigenfrequenz in Abhängigkeit von der Anregungsfrequenz. Dadurch wird erreicht, dass in allen Frequenzbereichen auftretende Resonanzschwingungen zwischen dem schwingfähigen Bauteil und dem Schwingungen erzeugenden System nahezu ausgeschlossen werden. Damit werden Resonanzschwingungen auch bei unterschiedlichen Frequenzbereichen nahezu vollständig ausgeschlossen.

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.

Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel anhand der zugehörigen Zeichnung, die die entsprechenden Resonanzkurven zeigt, näher erläutert.

Die Reduzierung von Schwingungen, insbesondere die weitestgehende Verhinderung von Resonanzschwingungen zweier zueinander schwingbeweglichen Massen, erfolgt dadurch, dass die Eigenfrequenz einer schwingfähigen Masse durch Eintrag von mechanischen Spannungen derart verändert wird, dass sie nicht mit der Anregungsfrequenz der anderen, Schwingungen erzeugenden Masse übereinstimmt. Die Anregungsfrequenz der Schwingungen erzeugenden Masse wird dabei durch einen Antriebsmechanismus, zum Beispiel einem Motor, und/oder durch eine Fahrtbewegung erzeugt. Durch den Eintrag von mechanischen Spannungen in den schwingfähigen Körper wird dessen Resonanzkurve verschoben. Das heißt, die Eigenfrequenz der Masse oder des Bauteils wird durch die eingebrachten Spannungen verändert. Ähnlich einer Klaviersaite, die bei unterschiedlicher Vorspannung unterschiedliche Frequenzen erzeugt, wird durch die eingebrachte mechanische Spannung die Eigenfrequenz der schwingfähigen Masse verändert.

In der Fig. 1 ist die Resonanzkurve 12 im Resonanzfall und eine durch Spannungseintragung verschobene Resonanzkurve 10 dargestellt. Dabei ist mit A die Amplitude und mit f die Frequenz der Schwingung im Diagramm dargestellt. Im Resonanzfall, bei dem die Anregungsfrequenz f_A der Schwingung erzeugenden Masse mit der Eigenfrequenz der schwingenden Masse zusammenfällt, entsteht eine Resonanzschwingung mit einer Amplitude A_R entsprechend der Resonanzkurve 12. Durch entsprechende Spannungseinführung in die schwingfähige Masse wird die Eigenfrequenz der Masse verändert, so dass eine verschobene Resonanzkurve 10 entsteht. Bei der Anregungsfrequenz f_A der Schwingung erzeugenden Masse würde dabei die Amplitude der schwingenden Masse dem Wert A_V entsprechen. Resonanzerscheinungen treten dabei nicht auf.

Zur Beeinflussung der Eigenfrequenz werden in das entsprechende Bauteil Zug- oder Druckspannungen eingeleitet. Dabei werden vorteilhafterweise in flächenförmige Bauteile, wie zum Beispiel Karosseriebleche, Zugspannungen zur Beeinflussung der Eigenfrequenz eingeleitet. Druckspannungen sind in diesem Fall ungeeigneter, da sie bei entsprechender Größe zum Ausbeulen des Bleches führen könnten. Die Einleitung von Druckspannungen erfolgt somit vorteilhafterweise in kompakte Bauteile oder in solche Bauteile, in denen aus konstruktiven Gründen keine Zugspannungen eingeleitet werden können.

Die Veränderung der Eigenfrequenz durch Änderung der eingebrachten mechanischen Spannung erfolgt in Abhängigkeit von der Anregungsfrequenz. Das heißt, wenn die Anregungsfrequenz f_A in einem Bereich liegt, in dem die Amplitude A_V des schwingenden Bauteils Werte annimmt, die mit den eingesetzten Mitteln nicht mehr zu dämpfen sind, erfolgt eine Änderung der Eigenfrequenz. Dieses kann sowohl durch Erhöhung als auch durch Reduzierung der bereits eingebrachten Spannung erfolgen. Durch die Veränderung der Eigenfrequenz in Abhängigkeit von der Anregungsfrequenz werden Resonanzschwingungen in allen Frequenzbereichen weitestgehend vermieden.

Als vorteilhaft hat sich die Einbringung der mechanischen Spannungen in den Körper der schwingenden Masse mittels eines ansteuerbaren Aktuators gezeigt. Bei Einsatz eines Aktuators, der aus einem oder mehreren Piezoelementen besteht, können schnell sehr große Kräfte auf das Bauteil übertragen werden, so dass entsprechende Veränderungen der Eigenfrequenz sehr schnell und präzise während des Betriebes des Systems durchgeführt werden können. Die Ansteuerung des Aktuators erfolgt über einen Sensor, der die jeweilige Anregungsfrequenz der die Schwingung erzeugenden Masse ermittelt. Der Aktuator zur Verstellung der Eigenfrequenz kann auch aus Formgedächtnisdrähten, Gewindespindeln mit Stellmotor oder dergleichen bestehen.

Der Vorteil der Erfindung besteht darin, dass während des Betriebes des Systems bei Annäherung der Erregungsfrequenz an die Eigenfrequenz diese verstellt werden kann. Resonanzschwingungen werden dadurch weitestgehend ausgeschlossen. Durch entsprechende Verschiebung der Resonanzkurve können auch insgesamt die Schwingungen verringert werden, indem die Amplitude des Arbeitspunktes der verschobenen Resonanzkurve gering gehalten wird. Durch die gezielte Beeinflussung der Eigenfrequenz können Dämpfungsmaterialien beziehungsweise Dämpfungselemente, die zur Reduzierung von auftretenden Resonanzschwingungen benötigt werden, entfallen. Außerdem wird durch die Vermeidung von Resonanzschwingungen der Fahrkomfort bei dem Einsatz der Erfindung in der Fahrzeugtechnik verbessert.

Die beschriebene Erfindung ist einsetzbar zur weitestgehenden Verhinderung von Resonanzschwingungen in allen Frequenzbereichen zwischen einem schwingfähigen Bauteil und einem Schwingungen erzeugenden System. Als besonders vorteilhaft eignet sich der Einsatz der Erfindung im Fahrzeugbau zur Verhinderung von Resonanzschwingungen an den Karosserieteilen, insbesondere an den Blechteilen, eines Fahrzeuges. Änderungen der Anregungsfrequenz, zum Beispiel durch Änderung der Motorendrehzahl und/oder der Fahrgeschwindigkeit, werden durch die entsprechenden Sensoren erfasst und im Vergleich mit der vorhandenen Eigenfrequenz des schwingenden Bauteils erfolgt bei entsprechender Notwendigkeit die Änderung der Eigenfrequenz durch mechanische Spannungsänderung.

BEZUGSZEICHENLISTE

10

verschobene Resonanzkurve

12

Resonanzkurve
A Amplitude
A_R

Amplitude im Resonanzfall
A_V

Amplitude nach verschobener Resonanzkurve
f Frequenz
f_A

Anregungsfrequenz

Claims

1. Verfahren zur Reduzierung von Schwingungen, insbesondere zur weitestgehenden Verhinderung von Resonanzschwingungen zweier zueinander schwingbeweglichen Massen, dadurch gekennzeichnet, dass die Eigenfrequenz einer schwingfähigen Masse durch Eintrag von mechanischen Spannungen in den Körper der schwingenden Masse derart verändert wird, dass sie nicht mit der Anregungsfrequenz der anderen, Schwingungen erzeugenden Masse übereinstimmt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die eingetragene mechanische Spannung eine Zugspannung ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die eingetragene mechanische Spannung eine Druckspannung ist.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Veränderung der Eigenfrequenz in Abhängigkeit von der Anregungsfrequenz erfolgt.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Spannung mittels eines ansteuerbaren Aktuators in den Körper der schwingenden Masse eingebracht wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ansteuerung des Aktuators der Aktuator über entsprechende Mittel mit einem Sensor zur Erfassung der Anregungsfrequenz verbunden ist.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator ein oder mehrere Piezoelemente, Formgedächtnisdrähte, Gewindespindeln mit Stellmotor oder dergleichen umfasst.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Veränderung der Eigenfrequenz die eingetragenen mechanischen Spannungen erhöht werden.

9. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Veränderung der Eigenfrequenz die eingetragenen mechanischen Spannungen reduziert werden.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anregungsfrequenz durch einen Antriebsmechanismus, zum Beispiel einem Motor, und/oder eine Fahrbewegung erzeugt wird.