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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Dampfung von Schwingungen an einer drehenden Fahrzeug- oder Maschinenkomponente, umfassend an der drehenden Komponente applizierte Sensor- und Aktor-Piezomodule, eine in bezug auf die drehende Komponente stationare Spannungsquelle und eine berührungslose Ubertragungseinrichtung zur Ubertragung von Energie von der Seite der stationären Spannungsquelle zu der Seite der drehenden Komponente.
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Die Verwendung des piezoelektrischen Effekts zur Schwingungsdämpfung ist aus dem Stand der Technik allgemein bekannt Zu diesem Zweck werden Piezomodule, die eines oder mehrere piezoelektrische Elemente enthalten, fest mit der zu dampfenden Welle gekoppelt Mechanische Verformungen, die auf die piezoelektrischen Elemente übertragen werden, bewirken dort eine elektrische Polarisierung. Durch den Abbau derselben kann einem schwingenden mechanischen System Energie entzogen werden Umgekehrt kann durch Anlegen eines elektrischen Feldes eine Längenänderung bewirkt werden (reziproker piezoelektrischer Effekt), über die dem schwingenden System gegenphasig Energie zuführbar ist
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Die Erfindung eignet sich insbesondere für den Einsatz an Wellen in Kraftfahrzeugen, lässt sich jedoch uberall dort nutzen, wo an Wellen Schwingungen auftreten. Je nach Anordnung und Ansteuerung der Sensor- und Aktor-Piezoelemente können Biegeschwingungen, Torsionsschwingungen und gegebenenfalls auch Longitudinalschwingungen bekampft werden.
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Aus der
US 6,012,333 A sind Fahrzeugwellen mit Piezodämpfung bekannt, bei denen die Piezoelemente in unterschiedlichen Konfigurationen zur Schwingungsdämpfung eingesetzt werden. Dabei sind die Piezomodule jeweils fest an der Welle appliziert und mit einer elektrischen Schaltung zum Zweck der Energiedissipation verbunden In einer ersten Ausgestaltungsform sind die Piezomodule mit ihrer Hauptwirkungsrichtung parallel zur Langsachse der Welle ausgerichtet, um Biegeschwingungen zu dampfen. In einer weiteren Ausgestaltungsform sind die Piezoelemente zu der Langsachse der Welle gegensatzlich unter einem Winkel von etwa 45° angestellt, wodurch die Dampfung von Torsionsschwingungen möglich ist
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Zudem konnen die Piezomodule bei dem genannten Stand der Technik in unterschiedlicher Weise zur Dampfung von Schwingungen eingesetzt werden, wobei zwischen einer passiven Nutzung und einer aktiven Nutzung zu unterscheiden ist Im erstgenannten Fall sind die piezoelektrischen Elemente der Module, die selbst wie elektrische Kapazitäten wirken, mit passiven elektrischen Komponenten wie Induktivitaten, Kapazitäten und/oder Impedanzen verschaltet, um ein RCL-Netzwerk zu bilden Dieses wird auf die zu bedämpfende Frequenz abgestimmt, ist ansonsten jedoch wenig flexibel. Der wesentliche Vorteil eines passiven Systems liegt in seiner einfachen Ausgestaltung sowie darin, dass keine externen Anschlüsse und damit kein zusatzlicher Energieeintrag zur Schwingungsdämpfung benötigt werden Dies prädestiniert passive Systeme fur den Einsatz an bewegten Komponenten, zu denen die Übertragung elektrischer Energie unmöglich oder zumindest sehr aufwendig ist. Jedoch ist die Leistungsfahigkeit eines solchen passiven Systems zur Schwingungsdämpfung beschrankt.
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Im Fall einer aktiven Nutzung der Piezoelemente lasst sich eine erhebliche Leistungssteigerung bis zur vollkommenen Auslöschung der störenden Schwingungen erzielen Allerdings sind derartige Systeme mit einem erheblichen baulichen Aufwand verbunden. Sie erfordern namlich einen Energieeintrag im Umfang des Energieinhalts der zu dämpfenden Schwingung. Bei einer Antriebswelle in einem Kraftfahrzeug stellt die Energieubertragung ein signifikantes Problem dar, das in der
US 6,012,333 A durch entsprechende Schleifringe an der Welle und Büsten and der Statorseite gelost wird Uber die Schleifringe der Welle wird die elektrische Schaltung an der Welle mit Strom versorgt
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Allerdings sind Schleifringlösungen kurzlebig und empfindlich gegen Erschutterungen und Verschmutzung Sie sind damit für den Einsatz an Kraftfahrzeugen wegen ihrer Storungsanfalligkeit wenig geeignet. Angesichts des hoheren Leistungspotenzials von aktiven Systemen im Vergleich zu passiven Systemen erscheinen aktive Systeme fur eine wirkungsvolle Schwingungsdämpfung jedoch besonders interessant. Die Erfindung zielt daher darauf ab, die mit der Energieübertragung auf die drehende Komponente verbundenen Probleme zu beseitigen
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In diesem Kontext ist aus der
DE 102 46 218 A1 eine Vorrichtung der eingangs genannten Art bekannt Die Ansteuerung der piezoelektrischen Elemente bzw. Piezomodule erfolgt dort uber eine Ansteuereinrichtung, die einen Regler und einen dem Regler nachgeschalteten Leistungsverstarker aufweist Mit dem Leistungsverstärker werden die den Aktor-Piezomodulen zuzufuhrenden Spannungen erzeugt Dabei sind sowohl der Regler als auch der Leistungsverstarker nicht an der Welle, sondern vielmehr stationär zu dieser angeordnet Die an den Aktor-Piezomodulen jeweils benotigten Spannungen werden auf der Seite der Spannungsquelle generiert und den Piezomodulen über Gleitelektroden zugeführt. Weiterhin wird in der DE 102 46 218 A1 ausgeführt, die Leistung zum Ansteuern der Piezomodule könne auch beruhrungslos übertragen werden Dabei bleibt jedoch offen, wie dies zu bewerkstelligen ist.
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Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, bei einer Vorrichtung zur Dampfung von Schwingungen an einer drehenden Fahrzeug- oder Maschinenkomponente eine praktikable Lösung fur eine beruhrungslose Energieubertragung zu der drehenden Fahrzeug- bzw Maschinenkomponente anzugeben.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Art gelost, die sich dadurch auszeichnet, dass die Ubertragungseinrichtung einen Ubertrager auf der Seite der drehenden Komponente und einen Ubertrager auf der Seite der Spannungsquelle aufweist, die derart konfiguriert sind, um eine Niedervoltspannung auf der Seite der Spannungsquelle in eine höhere Spannung von einigen 100 Volt auf der Seite der drehenden Komponente zu transformieren
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Im Unterschied zum Stand der Technik wird hiermit das fur die Aktor-Piezomodule benötigte hohere Spannungsniveau quasi auf dem Übertragungsweg von der stationären Seite zur drehenden Komponente erzeugt. Dadurch können Verstarkerkomponenten mit entsprechend großem Bauraumbedarf auf der stationaren Seite eingespart werden. Praktisch bedeutet dies eine Verlagerung der Hochspannungserzeugung auf die Seite der drehenden Komponente Aus der dort zur Verfugung gestellten Gleich- oder Wechselspannung lassen sich dann mittels geeigneter Einrichtungen die Ansteuerungssignale fur die Aktor-Piezomodule aufbereiten.
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Dies ist insbesondere beim Einsatz an Kraftfahrzeugen vorteilhaft, bei denen auf der stationaren Seite lediglich ein übertrager benotigt wird, der an das Fahrzeugbordnetz anzuschließen ist.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung arbeiten die übertrager induktiv. Eine raumbeanspruchende Hardware am Fahrzeug zur Spannungswandlung ist damit nicht erforderlich.
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In einer weiteren, bevorzugten Ausgestaltung ist an der drehenden Komponente eine Steuereinrichtung zur Aufbereitung von Ansteuerungssignalen für das bzw. die Aktor-Piezomodule vorgesehen, die über den an der drehenden Komponente angeordneten Übertrager mit elektrischer Energie versorgt wird
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Die Steuereinrichtung kann beispielsweise als Micro-Controller ausgebildet sein, der an der drehenden Komponente appliziert wird
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Weiterhin kann zur Generierung der Ansteuerungssignale ein Regler vorgesehen werden Diesem werden, gegebenenfalls unter Zwischenschaltung der Steuereinrichtung, die Signale der Sensor-Piezomodule zugeleitet. Unter Berucksichtigung derselben werden in dem Regler Ansteuerungssignale für die Aktor-Piezomodule erzeugt, die der Steuereinrichtung zugeleitet werden
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Dabei kann der Regler an der drehenden Komponente angeordnet sein Insbesondere ist es moglich, diesen in den Micro-Controller zu implementieren.
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Gemaß einer weiteren, vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann der Regler jedoch auch auf der stationaren Seite angeordnet werden In diesem Fall erfolgt eine bidirektionale Ubertragung der Reglersignale parallel zu der Energieubertragung uber die Übertragungseinrichtung zu der an der drehenden Komponente befindlichen Steuereinrichtung. Vorzugsweise werden dabei die eingangseitigen und ausgangsseitigen Reglersignale durch eine Modulation der Energieubertragung übermittelt
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Die drehende Komponente ist beispielsweise eine Fahrzeugwelle, deren Steuereinrichtung fur die Aktor-Piezomodule aus einem Fahrzeugbordnetz mit einer über die berührungslose Übertragungseinrichtung hochgespannten Spannung versorgt wird.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausfuhrungsbeispielen naher erlautert Die Zeichnung zeigt in
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1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausfuhrungsbeispiels einer Vorrichtung zur Dampfung von Schwingungen an einer drehenden Fahrzeug- oder Maschinenkomponente mit berührungsloser Energieübertragung, und in
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2 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zur Dampfung von Schwingungen an einer drehenden Fahrzeug- oder Maschinenkomponente mit beruhrungsloser Energieübertragung.
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Das Ausführungsbeispiel in 1 zeigt eine Vorrichtung zur Dämpfung von Schwingungen an einer drehenden Fahrzeug- oder Maschinenkomponente 1 Letztere ist beispielsweise eine Fahrzeugwelle, die an einem Fahrzeug 2 gelagert ist
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An der drehenden Komponente 1 sind mehrere Sensor-Piezomodule 3 angeordnet, über die eine Schwingungsanregung der drehenden Komponente 1 erfasst wird Die von den Sensor-Piezomodulen 3 erzeugten Signale s1 sind über eine Steuereinrichtung 4 und induktive Übertrager 9 und 19 auf einen Regler 5 geschaltet, um Ansteuerungssignale s2 für ebenfalls an der drehenden Komponente 1 angeordnete Aktor-Piezomodule 6 zu erzeugen. Dabei sind die Steuereinrichtung 4 und der Regler 5 so konfiguriert, dass die erfassten Schwingungen mittels der Aktor-Piezomodule 6 kompensiert, d. h zumindest verringert, vorzugsweise aber vollständig geloscht werden
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Die Piezomodule 3 und 6 konnen an der Oberflache der drehenden Komponente 1 bzw. Fahrzeugwelle appliziert oder in diese eingebettet sein. Zudem ist es möglich, Sensor-Module 3 und Aktor-Module 6 in eine Baueinheit zu integrieren oder aber, beispielsweise durch eine getaktete Ansteuerung, Aktor-Module 6 als Sensor-Module 3 zu nutzen
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Wie 1 zeigt, ist die Steuereinrichtung 4 an der drehenden Komponente 1 vorgesehen. Zur aktiven Schwingungsdämpfung wird diese von der stationaren Seite her mit Energie versorgt Bei einem Kraftfahrzeug erfolgt die Stromversorgung aus dem Fahrzeugbordnetz, das hier durch eine Batterie 7 angedeutet ist. Diese stellt eine Niedervoltgleichspannung von beispielsweise 12 Volt zur Verfügung.
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Bei herkömmlichen, aktiven Systemen wird die zur Schwingungsdämpfung benötigte Zusatzenergie in der Regel über Gleitkontakte wie Schleifringe und Bürsten von der stationären Seite auf die Seite der drehenden Komponente 1 übertragen. Da derartige Gleitkontakte kurzlebig sind und auf Erschütterungen und Verschmutzungen empfindlich reagieren, ist bei der hier vorgestellten Vorrichtung eine berührungslose Übertragungseinrichtung 8 vorgesehen.
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Die Übertragungseinrichtung 8 umfasst einen Übertrager 9 auf der Seite der drehenden Komponente 1 und einen Übertrager 10 auf der Seite der Spannungsquelle 7. Dabei sind die Übertrager 9 und 10, die induktiv arbeiten, derart konfiguriert, dass eine Niedervoltspannung auf der Seite der Spannungsquelle 7 in eine höhere Spannung von einigen 100 Volt auf der Seite der drehenden Komponente 1 transformiert wird. Über das Wicklungsverhältnis der Übertrager 9 und 10 lässt auf der Seite der drehenden Komponente 1 das gewünschte Spannungsniveau in der Größenordnung von einigen 100 Volt einstellen, das zum Betrieb der Aktor-Piezomodule 6 benötigt wird.
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An einem Kraftfahrzeug können z. B. bei einer Spannung von 12 Volt auf der Statorseite etwa 400 Volt auf der Rotorseite erzielt werden. Raumbeanspruchende Komponenten zur Spannungswandlung sind damit auf der Statorseite bzw. am Fahrzeug nicht erforderlich. Dies spart Aufwand und Kosten.
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Während der rotorseitige Übertrager 9 an die Steuereinrichtung 4 angeschlossen ist, ist der weitere, statorseitige Übertrager 10 mit der Batterie 7 sowie weiterhin mit dem statorseitigen Regler 5 verbunden.
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Dem Regler 5 werden die zunächst von der Steuereinrichtung 4 erfassten Signale s1 der Sensor-Piezomodule 3 zugeleitet. Auch hier erfolgt die Übertragung berührungslos. Dazu werden die Signale s1 von der Steuereinrichtung 4 an den angeschlossenen rotorseitigen Übertrager 9 geleitet, der diese durch eine Modulation der Hochspannungsübertragung e an den statorseitigen Übertrager 10 übermittelt. Von dort gelangen die Signale sre als Eingangssignale an den Regler 5. Nach einer entsprechenden Verarbeitung werden die Reglerausgangssignale sra wiederum durch eine Modulation der Hochspannungsübertragung e von dem statorseitigen Übertrager 10 berührungslos an den rotorseitigen induktiven Übertrager 9 übermittelt, von woraus sie zu der Steuereinrichtung 4 gelangen. Aus der an der drehenden Komponente 1 zur Verfügung gestellten Spannung werden mittels der Steuereinrichtung 4 die entsprechenden aktuellen Reglersignale sra als Ansteuerungssignale s2 für die einzelnen Aktor-Piezomodule 6 aufbereitet.
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Mit diesem induktiven Ansatz lassen sich neben der Hochspannungsübertragung e gleichzeitig durch eine entsprechende Modulation die Sensorsignale sre und sra bzw. s1 und s2 bidirektional von der drehenden Komponente 1 auf die Statorseite und wieder zurück auf die drehende Komponente 1 übertragen.
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Bei dem vorstehend erläuterten Ausführungsbeispiel ist der Regler 5 auf der stationären Seite angeordnet. Es ist jedoch auch möglich, den Regler 5 an der drehenden Komponente 1 vorzusehen. Dies ist in 2 anhand eines weiteren Ausführungsbeispiels dargestellt. Bei diesem Beispiel können zudem die Steuereinrichtung 4' und der Regler 5' gemeinsam in einen Micro-Controller 11' implementiert sein. In diesem Fall erübrigt sich dann die Signalübertragung von der drehenden Komponente 1 auf die Startorseite 2 und zurück.
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Anstelle einer Gleichspannungsversorgung ist sowohl auf der Statorseite als auch auf der Rotorseite auch eine Versorgung mit Wechselstrom möglich.
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In sämtlichen Fällen wird eine verschleißfreie und störungsunempfindliche Energie- und Datenübertragung gewährleistet. Durch die Verlagerung der Anschlüsse der Spannungsversorgung für die Steuereinrichtung auf die Seite der drehenden Komponente 1 verbunden mit einer gleichzeitigen Transformation der Spannung lässt sich zudem eine besonders kompakte Bauweise realisieren.
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Die Erfindung wurde vorstehend anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen erläutert. Sie ist jedoch nicht auf diese beschränkt, sondern umfasst alle durch die Patentansprüche definierten Ausgestaltungen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- drehende Komponente (Rotorseite)
- 2
- stationäre Komponente (Statorseite)
- 3
- Sensor-Piezomodul
- 4
- Steuereinrichtung
- 4'
- Steuereinrichtung
- 5
- Regler
- 5'
- Regler
- 6
- Aktor-Piezomodul
- 7
- Batterie bzw. Spannungsquelle
- 8
- berührungslose Übertragungseinrichtung
- 9
- rotorseitiger induktiver Ubertrager
- 10
- statorseitiger induktiver Ubertrager
- 11
- Micro-Controller
- 11'
- Micro-Controller
- e
- Energie
- s1
- Sensorsignal
- s2
- Ansteuerungssignal
- sre
- Reglereingangssignal
- sra
- Reglerausgangsignal
