DE10109323B4

DE10109323B4 - Verfahren und Vorrichtung zur aktiven Lagerung einer Masse, insbesondere der Getriebe-Motor-Einheit eines Fahrzeuges

Info

Publication number: DE10109323B4
Application number: DE2001109323
Authority: DE
Inventors: Jochen Exner
Original assignee: Voith Turbo GmbH and Co KG
Current assignee: Voith Turbo GmbH and Co KG
Priority date: 2001-02-27
Filing date: 2001-02-27
Publication date: 2005-02-17
Anticipated expiration: 2021-02-28
Also published as: DE10109323A1

Abstract

Verfahren zur aktiven Lagerung einer Masse, insbesondere für die Lagerung einer Getriebe-Motor-Einheit eines Fahrzeuges, mit den folgenden Schritten:
1.1 mit mindesiens einem Beschleunigungsmeßaufnehmer (2) wird die lokale Beschleunigung an einer mindestens in einer Richtung und/oder einem Drehsinn beweglichen Lagerstelle (1) gemessen;
1.2 eine Positioniervorrichtung (3) positioniert die Lagerstelle (1) in Abhängigkeit der gemessenen lokalen Beschleunigung;
1.3 nach dem Abklingen der lokalen Beschleunigung wird die Lagerstelle (1) ruckfrei zurück in ihre Ausgangslage positioniert;
dadurch gekennzeichnet, daß
1.4 mittels der Positioniervorrichtung (3) auf die Lagerstelle (1) eine zusätzliche Beschleunigung in Richtung der gemessenen lokalen Beschleunigung aufgebracht wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur aktiven Lagerung einer Masse, insbesondere für die Lagerung von Getriebesystemen bzw. einer Getriebe-Motor-Einheit eines Fahrzeuges entsprechend dem Obebegriff des Anspruchs 1 bzw. Anspruchs 10.

Die Lagerung von Getriebe-Motor-Einheiten mit gelagerten Massen, die zum Beispiel im Schienenfahrzeugbau in der Regel zwischen 800 und 5000 kg betragen, stellen einen hohen techrmschen Aufwand dar. Durch die Forderungen der Fahrzeughersteller, wie auch einschlägiger Normen, müssen bei der Gehäusekonstruktion der Getriebe-Motor-Einheiten Laststöße bis zu 7,5g, d.h. der siebenkommafünf-fachen Masse des Eigengewichts, bei Primärgetrieben bzw. bis zu 20g bei Achsgetrieben nachgewiesen werden. Dies führt zu kompakten und schweren Gehäuseausführungen, da die entstehenden Reaktionskräfte über das Gehäuse abgeführt werden müssen.

Speziell die diskreten Lagerstellen, mittels welcher die Kräfte aus dem Getriebe bzw. der Getriebe-Motor-Einheit abgeführt werden, sind bei Auftreten dieser Laststöße erheblich gefährdet und müssen entsprechend dimensioniert werden.

Ein weiterer Nachteil bekannter Lagerungen besteht darin, daß die Lagerung überwiegend mittels Gummi-Metallelementen erfolgt, was bei geforderten einfachen Konstruktionen häufig zu statisch unbestimmten Lagerungen führte. Dies führt zu Verspannungen des Gehäuses unter Last. Auch aktive Lagerungen von Körpern sind bekannt. So zeigt die DE 21 45 358 A ein aktives hydraulisches Isoliersystem zur Schwingungsisolierung eines Körpers.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung zur Lagerung einer Masse, insbesondere zum Lagern der Getriebe-Motor-Einheit eines Fahrzeuges darzustellen, welches bzw. welche die genannten Nachteile des Standes der Technik vermeidet. Insbesondere soll ein Verfahren bzw. eine Lagerung dargestellt werden, das/die eine kostengünstige gewichtsoptimierte und trotzdem festigkeitsgerechte Konstruktion von Getriebe-Motor-Einheiten zuläßt, unbestimmte Lagerungen vermeidet und die auftretenden Lagerkräfte minimiert.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und eine Vorrichtung gemäß Anspruch 10 gelöst. Die Unteransprüche stellen besonders vorteilhafte Ausführungen dar.

Der Erfinder hat erkannt, daß die die Lagerung stark beanspruchenden Laststöße immer nur sehr kurzzeitig sind und auch ein seltenes Ereignis darstellen. Die herkömmlichen Lagerungen, die durch ihre massiv ausgeführten Konstruktionen den Anforderungen dieser selten auftretenden starken Stöße gerecht werden, stellen im stationären Normalbetrieb eine erhebliche Überdimensionierung dar.

Die erfinderische Idee besteht darin, an den Lagerstellen einen bestimmten, klar definierten Kraftbetrag zuzulassen und den restlichen Anteil der auftretenden Kräfte über eine geregelte, in Kraftrichtung bewegungsfreie Lagerung dynamisch abzubauen. Die Lagerstelle gibt sozusagen unter der Last nach. Selbstverständlich kann an Stelle der Bezug-/Regelgröße Kraft auch ein Moment bzw. Momente angewendet werden.

Mit der Erfindung wird somit eine bisherige Forderung eines fixen Lagerpunktes aufgegeben und durch eine dynamische Beeinflussung die tatsächlich abzuführende Kraft bzw. das abzuführende Moment verringert.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird mittels eines Beschleunigungsmeßaufnehmers die lokale Beschleunigung an einer Lagerstelle gemessen. Die Lagerstelle wird anschließend in Abhängigkeit der gemessenen lokalen Beschleunigung dynamisch. positioniert. Nach dem Abklingen eines Laststoßes, d.h. nach dem Abklingen der Beschleunigung, wird die Lagerstelle ruckfrei zurück in ihre Ausgangslage gefahren.

Besonders vorteilhaft sind entsprechend Anspruchs 2 der Bschleunigungsmeßaufnehmer und die Positioniervorrichtung mit einer elektronischen Regelung verschaltet. Die mittels des Beschleunigungsmeßaufnehmers gemessene lokale Beschleunigung wird der elektronischen Regelung übermittelt, die elektronische Regelung erzeugt in Abhängigkeit der übermittelten lokalen Beschleunigung ein Positioniersignal, was anschließend an die Positioniervorrichtung übermittelt wird. Die Positioniervorrichtung positioniert die Lagerstelle zeitlich entsprechend des Positioniersignales.

In einer besonders vorteilhaften Ausführung entsprechend Anspruchs 3 des erfindungsgemäßen Verfahrens berücksichtigt die elektronische Regelung einen vorgegebenen Grenzwert der lokalen Beschleunigung. Dabei wird im Betrieb zwischen auftretenden Kräften unterschieden, die entweder eine lokale Beschleunigung kleiner als der vorgegebene Grenzwert oder eine lokale Beschleunigung größer als der vorgegebene Grenzwert bewirken. Bei gemessenen lokalen Beschleunigungswerten unterhalb des vorgegebenen Grenzwertes bleibt die Lagerstelle fix, d.h. das erzeugte Positioniersignal entspricht der aktuellen Position der Lagerstelle, so daß keine Verschiebung der Lagerstelle erfolgt. Besonders vorteilhaft ist auch eine Erzeugung eines Positioniersignales denkbar, das zu einer geringen Abfederung, d.h. einer Abfederung mit geringer Positionsänderung, vorzugsweise im Intervall von +/– 5 bis 10 Millimeter um die Ausgangslage besonders vorszugsweise von +/– 5 Millimetern führt. Diese Intervallgröße ist jedoch stark abhängig von der abzufedernden Kraft, die hier genannten Größen entsprechen Vorzugswerten für die Lagerung von Getriebesystemen bzw. Getriebe-Motor-Einheiten. Bei wesentlich größeren Massen, zum Beispiel für die Lagerung von Komponenten von Papiermaschinen oder die Lagerung von Schiffsdieselmotoren, können andere Intervalle zu bevorzugen sein.

Bei gemessenen lokalen Beschleunigungswerten gleich oder oberhalb des vorgegebenen Grenzwertes führt das Positioniersignal zu einer Auslenkung der Lagerstelle von der aktuellen Position in Richtung der Beschleunigung, so daß die Lagerstelle dynamisch in Richtung der auftretenden Belastung nachgibt.

Mit Hilfe der Regeltechnik sind unterschiedlichste Charakteristiken bei der Lagerung denkbar. So kann zum Beispiel in einer vorteilhaften Ausführungsform eine Lagercharakteristik in Abhängigkeit des zu erwartenden Streckenprofiles, auf dem das Fahrzeug eingesetzt werden soll, eingestellt werden. Zum Beispiel kann der vorgegebene Grenzwert variiert werden, oder es können Dämpfungsfaktoren bzw. spezielle Beschleunigungscharakteristika bei der Regelung berücksichtigt werden. Vorteilhaft kann die Regeltechnik auch zur Filterung von Schwingungen an der Lagerstelle ausgebildet sein. So kann auf die Lagerstelle mittels der Positioniervorrichtung eine vorgegebene Schwingung, insbesondere bestimmt durch die Vorgabe eine Frequenz und Amplitude um einen definierten Mittelwert, aufgebracht werten, die der durch äußere Einflüsse an der Lagerstelle verursachten Schwingung, insbesonders aufgrund des Streckenprofiles, überlagert wird. Da sich entgegengesetzte Amplituden aufheben, ist somit ist ein gezieltes Herausfiltern von unerwünschten Schwingungen an der Lagerstelle möglich, beziehungsweise es können auftretende Schwingungen hinsichtlich des Schwingungungsbildes gezielt verschoben werden. Damit können zum Beispiel bauteilgefährdende Resonanzüberlagerungen mit Eigenschwingungen von Komponenten vermieden werden. Insbesondere ist diese Regelung als Ausgleich für harmonische, das heißt regelmäßige Grundschwingungserscheinungen der zu lagernden Masse geeignet.

Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung eignen sich insbesondere für die Ableitung von Lagerkräften, die in Richtung der Fahrzeuglängsachse auftreten. In einer vorteilhaften Ausgestalung entsprechend Anspruch 4 wird daher die lokale Beschleunigung der Lagerstelle in Richtung der Fahrzeuglängsachse mittels des Beschleunigungsaufnehmers gemessen und zur dynamischen Positionierung einer in Richtung der Fahrzeuglängsachse beweglichen Lagerstelle genutzt.

Besonders vorteilhaft wird entsprechend Anspruch 5 mittels der Positioniervorrichtung auf die Lagerstelle eine zusätzliche Beschleunigung a_{x,Lagerstelle} in Richtung der gemessenen lokalen Beschleunigung aufgebracht, die die folgende Gleichung erfüllt: m · a(t) – FRest = m · ax,Lagerstelle mit
m: gelagerte Masse, insbesondere der Motor-Getriebe-Einheit
a(t): gemessene lokale Beschleunigung der Lagerstelle (1)
F_Rest: zugelassene fixe Maximallast an der Lagerstelle in Richtung der gemessenen lokalen Beschleunigung
a_{x,Lagerstelle} = –X auf Lagerstelle zusätzlich aufgebrachte Beschleunigung als zweite zeitliche Ableitung des Positionierwegess

Die Positioniervorrichtung umfaßt besonders vorteilhaft entsprechend Anspruch 6 einen Hydraulik-Plunger oder einen Hydraulikzylinder. Es sind aber auch andere Stellglieder, wie z. B. pneumatische und/oder elektrische Systeme, denkbar.

Die erfindungsgemäße aktive Lagervorrichtung umfaßt entsprechend Anspruch 10 wenigstens eine Lagerstelle, die in mindestens eine Richtung bewegbar ist, einen Beschleunigungsmeßaufnehmer zum Aufnehmen der lokalen Beschleunigung an der Lagerstelle und eine Positioniervorrichtung zum Positionieren der Lagerstelle. Der Beschleunigungsmeßaufnehmer ist derart mit der Positioniervorrichtung verschaltet und die Positioniervorrichtung derart gestaltet, daß die Lagerstelle mittels der Positioniervorrichtung in Abhängigkeit der vom Beschleunigungsmeßaufnehmer aufgenommenen lokalen Beschleunigung positioniert wird. Auch hier ist ein Rückführen der Lagerstelle in die Ausgangsposition nach dem Abklingen des Stoßes, d.h. der Beschleunigung, vorteilhaft, um den notwendigen Verstellweg der Lagerstelle zu begrenzen.

Besonders vorteilhaft ist entsprechend Anspruch 11 eine elektronische Regelung vorgesehen, die mit dem Beschleunigungsmeßaufnehmer und der Positioniervorrichtung verschaltet ist.

Die vorliegende Erfindung ermöglicht eine Reduzierung der abzuleitenden Lagerlasten und führt zur Möglichkeit geringerer Wandstärken und damit Massen der Getriebe, speziell im Anschluß an die Lagerstelle. Damit sind einfachere standardisierte Aufhängungen oder kostengünstige Schweißkonstruktionen möglich, die Wahl der Aufhängungsstelle am Getriebe ist frei wählbar. Durch die Möglichkeit des Einsatzes platzsparender Aufhängungsrahmen bzw. Gestelle ergeben sich Platzvorteile im Unterwagen bei einem Einsatz der erfindungsgemäßen Lagerung in Schienenfahrzeugen.

Im Rahmen der Erfassung der Beschleunigungen an der Lagerstelle können diese Daten für die Aufnahme von Lastkollektiven verwendet werden. Die Kenntnis von Lastkollektiven kann für die optimierte betriebsfeste Dimensionierung der Getriebe bzw. der Getriebe-Motor-Einheit, sowie der gesamten Aufhängungskonstruktion verwendet werden.

Die Lagerung erfordert keine Gummi-Metallelemente, eine unbestimmte Lagerung wird damit vermieden. Insbesonders kann eine Unbestimmtheit durch die Regelung umgangen werden.

Eine ebenfalls vorteilhafte Anwendung der Erfindung besteht darin, das Verfahren gemäß Anspruch 1 beziehungsweise die Vorrichtung gemäß Anspruch 10 für die Abstützung und/oder Abfederung von Drehmomenten anzuwenden beziehungsweise auszuführen. Die Lagerung kann dabei besonders vorteilhaft eine Drehmomentstütze umfassen.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles und der zugehörigen Figur näher erläutert werden:
1 zeigt eine schematische Darstellung der Erfindung, beschränkt auf die Anwendung in x-Richtung.
Man erkennt eine Lagerstelle 1, die in z-Richtung mittels einer Aufhängungskonsole 5 gelagert ist. In x-Richtung ist die Lagerstelle mittels der Positioniervorrichtung 3 verschiebbar. Die Positioniervorrichtung 3 ist hier als Kolben dargestellt, welcher an seinem Punkt 3.1 fix gelagert ist. Bewirkt nun ein Stoß eine Kraft F_Belastung(t) an der Lagerstelle, so erfährt die Lagerstelle eine lokale Beschleunigung in x-Richtung. Diese lokale Beschleunigung wird mittels eines Beschleunigungsmeßaufnehmers 2 gemessen und an die elektronische Regeleinheit 4 übermittelt. Die elektronische Regeleinheit 4 erzeugt in Abhängigkeit der übermittelten lokalen Beschleunigung ein Positioniersignal, in diesem Ausführungsbeispiel in Form eines Druckes, das zu einer Positionierung der Lagerstelle 1 mittels der Positioniervorrichtung 3 führt.
Die über die Lagerung bzw. den Fixpunkt 3.1 abzuführende Kraft F_xRest ist vom Betrag gegenüber der Kraft F_Belastung(t) um den Anteil F_Lagerstelle(t) vermindert und in ihrer Richtung entgegengesetzt. Die anteilige Kraft F_Lagerstelle(t) ergibt sich aus dem Produkt der der Lagerstelle aufgeprägten Beschleunigung F_Lagerstelle(t) (=a_{x,Lagerstelle}) und der gelagerten Masse m. Die aufgeprägte Beschleunigung ergibt sich durch die Einstellung der Position der Lagerstelle x_Lagerstelle(t) (Längsführung) als zweite zeitliche Ableitung des Positionierweges.
Die Masse kann z. B. die Masse eines Getriebes 6 oder einer Getriebe-Motor-Einheit eines Fahrzeuges sein.

Claims

Verfahren zur aktiven Lagerung einer Masse, insbesondere für die Lagerung einer Getriebe-Motor-Einheit eines Fahrzeuges, mit den folgenden Schritten: 1.1 mit mindesiens einem Beschleunigungsmeßaufnehmer (2) wird die lokale Beschleunigung an einer mindestens in einer Richtung und/oder einem Drehsinn beweglichen Lagerstelle (1) gemessen; 1.2 eine Positioniervorrichtung (3) positioniert die Lagerstelle (1) in Abhängigkeit der gemessenen lokalen Beschleunigung; 1.3 nach dem Abklingen der lokalen Beschleunigung wird die Lagerstelle (1) ruckfrei zurück in ihre Ausgangslage positioniert; dadurch gekennzeichnet, daß 1.4 mittels der Positioniervorrichtung (3) auf die Lagerstelle (1) eine zusätzliche Beschleunigung in Richtung der gemessenen lokalen Beschleunigung aufgebracht wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale: 2.1 die mittels des Beschleunigungsmeßaufnehmers (2) gemessene lokale Beschleunigung wird einer elektronischen Regelung (4) übermittelt; 2.2 die elektronische Regelung (4) erzeugt in Abhängigkeit der übermittelten lokalen Beschleunigung ein Positioniersignal; 2.3 das Positioniersignal wird an die Positioniervorrichtung (3) übermittelt; 2.4 die Positioniervorrichtung (3) positioniert die Lagerstelle (1) entsprechend des Positioniersignales.
Verfahren gemäß Anspruch 2, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale: 3.1 bei der Erzeugung des Positioniersignales berücksichtigt die elektronische Regelung (4) einen vorgegebenen Grenzwert der lokalen Beschleunigung derart, daß 3.1.1 bei gemessenen lokalen Beschleunigungswerten unterhalb des vorgegebenen Grenzwertes das erzeugte Positioniersignal der aktuellen Position der Lagerstelle (1) entspricht, so daß keine Verschiebung der Lagerstelle (1) verursacht wird oder insbesondere das erzeugte Positioniersignal nahezu der aktuellen Position der Lagerstelle (1) vorzugsweise im Intervall +/– 5 bis 10 Millimeter um die Lagerstelle entspricht, so daß nur eine geringe Abfederung stattfindet; 3.1.2 bei gemessenen lokalen Beschleunigungswerten gleich oder oberhalb des vorgegebenen Grenzwertes das erzeugte Positioniersignal von der aktuellen Position der Lagerstelle (1) in Richtung der Beschleunigung abweicht
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die lokale Beschleunigung der Lagerstelle (1) in Richtung der Fahrzeuglängsachse mittels des Beschieunigungsmeßaufnehmers (2) gemessen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch das folgende Merkmal: 5.1 mittels der Positioniervorrichtung (3) wird auf die Lagerstelle (1) eine zusätzliche Beschieunigung a_{x,Lagerstelle} in Richtung der gemessenen lokalen Beschleunigung aufgebracht, die die folgende Gleichung erfüllt: m · a(t) – FRest = m · ax,Lagerstelle mit m: gelagerte Masse, insbesondere der Motor-Getriebe-Einheit a(t): gemessene lokale Beschleunigung der Lagerstelle (1) F_Rest: zugelassene fixe Maximallast an der Lagerstelle in Richtung der gemessenen lokalen Beschleunigung.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Positioniervorrichtung (3) einen Hydraulikzylinder als Stellglied umfaßt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die gemessene Beschleunigung in einem Speichermedium gespeichert wird, insbesondere für die Aufnahme von Lastkollektiven.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagercharakteristik in Abhängigkeit des zu erwartenden Streckenprofiles, auf denen das Fahrzeug eingesetzt wird, eingestellt wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß mittels der Positioniervorrichtung (3) auf die Lagerstelle (1) eine vorgegebene Schwingung aufgebracht wird.
Aktive Lagervorrichtung insbesondere für Getriebe-Motor-Einheiten von Kraftfahrzeugen, umfassend wenigstens eine diskrete Lagerstelle (1), die in mindestens eine Richtung bewegbar ist; 10.1 mit mindestens einem Beschleunigungsmeßaufnehmer (2) zum Aufnehmen der lokalen Beschleunigung an der Lagerstelle (1); 10.2 mit mindestens einer Positioniervorrichtung (3) zum Positionieren der Lagerstelle (1); 10.3 der Beschleunigungsmeßaufnehmer (2) ist mit der Positioniervorrichtung (3) verschaltet; 10.4 die Positionievorrichtung (3) ist derart gestaltet, daß sie die Lagerstelle (1) in Abhängigkeit der vom Beschieunigungsmeßaufnehmer (2) aufgenommenen lokalen Beschleunigung positioniert, dadurch gekennzeichnet, daß 10.5 die Postionierung (3) so ausgebildet ist, daß die beschleunigungsabhängige Postionierung durch Aufbringung einer zusätzlichen Beschleunigung in Richtung der aufgenommenen lokalen Beschleunigung erfolgt.
Aktive Lagervorrichtung gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Beschleunigungsmeßaufnehmer (2) und die Positioniervorrichtung (3) mit einer elektronischen Regelung (4) verschaltet sind.
Aktive Lagervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Beschleunigungsmeßaufnehmer (2) zum Aufnehmen der lokalen Beschleunigung in Längsrichtung des Fahrzeuges an der Lagerstelle (1) ausgebildet ist.
Aktive Lagervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Positioniervorrichtung (3) als Stellglied einen Hydraulikzylinder umfaßt.