DE102006015943B3

DE102006015943B3 - Vorrichtung zur Verminderung eines Wummerns in einem luftumströmten Fahrzeug

Info

Publication number: DE102006015943B3
Application number: DE200610015943
Authority: DE
Inventors: Stefan Homann; Elmar Dr. Breitbach
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2006-04-05
Filing date: 2006-04-05
Publication date: 2007-02-08
Anticipated expiration: 2026-04-06

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verminderung eines Wummerns, insbesondere eines Schiebedach-Wummerns, in einem Innenraum (4) eines umströmten Fahrzeugs (1). DOLLAR A Erfindungsgemäß ist die Kopplung zwischen dem Innenraum (4) und einer Außenströmung (2) über ein Piezoelement veränderbar, wobei das Piezoelement Teil eines passiven hybriden elektromechanischen Netzwerkes mit einem elektrischen Schwingkreis ist. DOLLAR A Erfindungsgemäß kann damit auf eine externe elektrische Leistungsversorgung für eine Ansteuerung des Aktuators verzichtet werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verminderung eines Wummerns, insbesondere eines Schiebedachwummerns, in einem Innenraum eines umströmten Fahrzeuges gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Verminderung eines Wummerns, insbesondere eines Schiebedachwummerns in einem Fahrzeug mit aktiv geregeltem Aktuator gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 10.
TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
In einem Innenraum eines in Folge seiner Fahrgeschwindigkeit mit einer Außenströmung umströmten Fahrzeuges kann sich für eine teilweise Öffnung des Innenraumes, beispielsweise das Öffnen eines Schiebedaches oder eines Fensters, ein unter dem Fachbegriff "Wummern" oder "Schiebedachwummern" ergeben, welches in unerwünschten periodischen Druckschwankungen in dem Innenraum besteht. Ein derartiges Wummern tritt weiterhin beispielsweise an Fahrwerkschächten von Flugzeugen und ähnlichen teilweise offenen Innenräumen von bewegten Fahrzeugen auf.

Gemäß DE 197 50 218 C2 werden die zuvor genannten periodischen Druckschwankungen auf periodische Druckänderungen in Folge von Rückkopplungseffekten verursacht, deren Einschwingvorgang etwas vereinfacht wie folgt beschrieben wird: Eine beliebig kleine Störung, z. B. eine Strömungsturbulenz, an der Vorderkante einer Öffnung des Innenraumes hat zur Folge, dass die Außenströmung geringfügig in den Innenraum umgelenkt wird, was zur Folge hat, dass der Druck in dem Innenraum geringfügig ansteigt, woraus ein Druckausgleich nach außen durch die Öffnung resultiert. Die bei diesem Druckausgleich quer zur Außenströmung auftretenden Strömungskomponenten lenken die Außenströmung an der Vorderkante der Öffnung um, was dazu führt, dass jetzt in dem Innenraum ein Unterdruck entsteht. Bei dem nun folgenden Druckausgleich wird die Außenströmung wieder in den Innenraum umgelenkt, was erneut zum Druckanstieg führt. Für die zuvor geschilderte selbsterregte Schwingung nimmt die Amplitude der Druckschwankung mit jeder Periode bis zu einem stabilen Grenzzykel zu, der theoretisch maximal dem Staudruck der Außenströmung entsprechen kann.

Erste Versuche zur Beseitigung des Wummerns waren auf eine Gestaltung der Geometrie von Windabweisern im Bereich der Öffnung des Fahrzeuges zu dem Innenraum gerichtet: Beispielsweise wurden vorgeschlagen:

– Windabweiser, die stationär, manuell oder automatisch verstellbar oder federbelastet automatisiert verschwenkbar an einer Vorderkante einer Öffnung wie ein Dachfenster angeordnet sind und dafür sorgen, dass im Fahrbetrieb eine Außenströmung nicht unmittelbar durch die Öffnung hindurch in den Innenraum eines Fahrzeuges einströmen kann,
– Luftleitelemente geringer Breite vorgeschlagen, die an Windabweisern angebracht werden sollten ( EP 0 374 421 A2 , DE 195 10 822 A1 ),
– nebeneinander angeordnete nach außen gerichtete Vorsprünge an Windabweisern ( DE 39 25 808 A1 ),
– beiseitig umströmte als Tragflügelprofil ausgebildete Windabweiser ( DE 39 32 739 A1 ),
– Ausnehmungen am oberen Rand eines Windabweiserprofils zur Erzielung hochfrequenter Luftverwirbelungen hinter dem Windabweiser ( DE 40 12 569 C1 ),
– keilförmige Störkörper am vorderen Rand einer Dachöffnung ( DE 40 33 027 A1 ),
– Zwangsumlenkungen eines Teilluftstromes zur Unterströmung eines Windabweisers ( EP 0 491 418 A1 ),
– eine Reihe von nebeneinander liegenden Öffnungen in einem Windabweiser zur Einleitung von Teilluftströmen in den Fahrzeuginnenraum ( EP 0 586 245 B1 ),
– Bürstenleisten am Windabweiser ( DE 195 18 774 A1 ),
– streifenförmige Störkörper auf dem Windabweiserblatt ( DE 195 24 790 C1 ),
– als Hohlprofil ausgebildete Windabweiser, wobei eine Profilkammer für einen Eintritt eines Teilluftstroms nach vorne offen ist sowie nach oben gerichtete Ausströmöffnungen aufweist ( DE 202 11 432 U1 ),
– Windabweiser, die eine ungefähr vertikal nach oben ragende Stirnseite besitzen, im Bereich welcher eine Erregerkante sowie wenigstens eine im Abströmbereich der Erregerkante positionierte, elastisch nachgiebige Störlippe angeordnet sind ( DE 198 53 358 C2 ),
– eine Anordnung mehrerer separater Windabweiserblätter quer zur Fahrtrichtung mit voneinander unabhängigen Schwenkachsen ( DE 196 26 937 C2 ),
– Windabweiser, die in ihrem unteren Querschnittsbereich mit einem luftdurchlässigen Netz versehen sind ( DE 195 18 696 A1 ),
– als Hohlprofilbauteil ausgebildete Windabweiser, die Lufteinlassöffnungen besitzen, durch die ein Teil eines im Betrieb des Fahrzeuges ein Fahrzeugdach überstreichenden Luftstroms in das Innere des Druckabweisers eintreten kann, um im Inneren des Druckabweisers nach unten umgelenkt und unter dem Windabweiser hindurch geleitet zu werden ( DE 103 51 248 A1 ),
– mit einem Netz gebildete Windabweiser, wobei für derartige Ausgestaltungen das Netz Fäden mit unterschiedlichen Durchmessern aufweisen kann ( DE 103 36 361 B3 ),
– Windabweiser, die aufgrund des Fahrtwindes biegeelastisch verformbar sind ( DE 103 00 395 A1 ),
– Windabweiser, die sich in Folge einer Beaufschlagung mit einer Längskraft in Richtung der Fahrzeugquerachse krümmen oder ausknicken, wobei nach Maßgabe der sich ausbildenden Krümmung des Windabweisers ein Teilstrom des das Fahrzeugdach umströmenden Luftstromes, welcher unter dem Windabweiser hindurchströmen kann, eingestellt werden kann ( DE 101 31 050 C1 ),
– Windabweiser in Form eines Hohlprofiles, in welches durch vordere Lufteintrittsöffnungen ein Teilstrom eintreten kann, der auf einer Oberseite des Windabweisers wieder aus diesem heraustritt, wobei ergänzend möglich ist, dass ein zusätzlicher Teilstrom aus dem Hohlprofil nach unten in einen Innenraum des Fahrzeuges abgeleitet wird ( DE 100 56 754 A1 ) und
– eine Stellanordnung mit elektronischer Steuerung zur Höhenverstellung eines Windabweisers, wobei die Stellanordnung beispielsweise aus Signalen für die Fahrgeschwindigkeit und für eine Position eines Schiebedaches ein geeignetes Stellsignal für einen Stellmotor des Windabweisers ermittelt ( DE 199 58 748 B4 ).

Zur aktiven Vermeidung der für ein Wummern verantwortlichen unerwünschten periodischen Druckschwankungen schlägt DE 197 50 218 C2 vor, dass über eine aktive Regelung eine periodische, der aktuellen Druckänderung in dem Innenraum entgegen gerichtete Änderung der Strömungsrichtung im Eintrittsbereich oder im Bereich der Öffnung des Innenraumes erzeugt wird. Hierzu ist eine Regelungseinrichtung vorgesehen, bei der zunächst über einen Drucksensor die Druckverhältnisse in dem Innenraum erfasst werden. Das Signal des Drucksensors wird unter optionaler Ermittlung einer Phasenverschiebung sowie Zwischenschaltung eines Filters einem Verstärker zugeführt, der einen Aktuator im Bereich der Öffnung des Innenraumes beaufschlagt. Gemäß einer ersten Ausführungsform betätigt der Aktuator Umlenkflügel an der Vorderkante des Dachausschnittes. Für eine zweite Ausführungsform erfolgt die Beeinflussung der Außenströmung durch Erzeugung einer Querströmungskomponente mittels Lautsprechern, die unmittelbar hinter der Vorderkante einer Öffnung des Innenraumes angeordnet sind. Für eine dritte Ausführungsform wird eine derartige Querströmungskomponente durch Ausblasen oder Absaugen von Gas an einer Vorderkante der Öffnung des Innenraumes erzeugt. Entsprechend einer vierten Ausführungsform erfolgt eine aktive Beseitigung des Wummerns dadurch, dass der Aktuator als in dem Innenraum des Fahrzeuges angeordneter Lautsprecher ausgebildet ist, wobei eine erforderliche Querströmung an der Vorderkante einer als Dachausschnitt ausgebildeten Öffnung indirekt durch einen auf die erzeugte Druckänderung folgenden Druckausgleich erreicht wird. Entsprechend einer fünften Ausführungsform wird die Außenströmung durch phasenrichtige Erzeugung von Druckänderungen im Innenraum eines Fahrzeuges mittels von dem Aktuator oszillierend beaufschlagten Teilen der den Innenraum begrenzenden Flächen, beispielsweise des Daches des Fahrzeuges, beeinflusst. Neben einer Ausbildung der Umlenkflügel aus einem formsteifen Material und einer Verschwenkung der Umlenkflügel um eine Drehachse in Folge der Beaufschlagung des Aktuators offenbart die genannte Druckschrift die Ausbildung der Umlenkflügel aus einem elastischen Material, wobei die Krümmung der Umlenkflügel verändert werden kann. Zur Bewegung oder Krümmung des Umlenkflügels kann ein Elektromotor, ein piezokeramischer Aktuator, ein pneumatisch oder hydraulisch betätigbarer Kolben oder ein elektro-dynamischer Aktuator Einsatz finden. Die offenbarten piezokeramischen Aktuatoren sind in einem Endbereich an ein Dach des Fahrzeuges angebunden sowie in dem gegenüberliegenden Endbereich an einem elastischen Flügel angelenkt. Mit einer Längenänderung der piezokeramischen Aktuatoren werden die elastischen Flügel auf Biegung beansprucht, wodurch sich eine Krümmungsänderung der Flügel ergibt.

Die dem offenbarten Verfahren zur Beseitigung eines Wummerns zugrunde liegenden physikalischen Wirkketten sind in DE 197 50 218 C2 wie folgt beschrieben: Der Drucksensor stellt zu einer beliebigen Zeit fest, dass der Druck in dem Innenraum unerwünscht ansteigt. Das Ausgangssignal des Drucksensors wird verstärkt und dem Aktuator so zugeführt, dass dieser die Außenströmung nach außen umlenkt und damit den Druck im Innenraum wieder absenkt. Der sinkende Druck im Innenraum führt nun dazu, dass der Drucksensor einen kleineren Druck misst, dementsprechend ein kleineres Signal an den Aktuator schickt, welcher wiederum die Außenströmung weniger umlenkt. Im Idealfall wären die Druckschwankungen gestoppt, sobald der mittlere oder stationäre Innendruck erreicht ist. In Folge der Trägheit der am Vorgang beteiligten Luftmassen kann unter Umständen aber der neue Zustand ohne Druckschwankungen oder mit sehr niedrigen Druckschwankungen immer erst nach einigen Perioden mit abnehmenden Druckamplituden auftreten. Die offenbarte Regelungsstrecke gemäß DE 197 50 218 C2 ist aufwändig und erfordert eine externe elektrische Leistungsversorgung, wobei allein die für den Verstärker erforderliche Leistung mit zumindest kurzzeitig 20 Watt angegeben ist. Eine derartige Leistungszuführung bedeutet, dass die bekannte Vorrichtung zur Verminderung eines Wummerns nicht separat von dem Fahrzeug gefertigt werden kann und für sich funktionsfähig ist, sondern eine Zuführung und Verbindung mit elektrischen Leitungen, beispielsweise Leitungen einer elektrischen zentralen Leistungsversorgung des Fahrzeuges, erfordert, was beispielsweise im Dachbereich zusätzliche Leitungen erfordert und den Montageaufwand erhöhen kann.

DE 197 42 741 C2 offenbart eine Erfassung eines Wummerns über ein Mikrophon und die Erzeugung eines gegenphasigen Gegenschallfeldes, woraus eine Interferenz des Wummer-Geräusches und des erzeugten Gegenschalles resultieren soll. Um eine Versorgungsleistung eines erforderlichen Verstärkers zu reduzieren, wird vorgeschlagen, dass der Verstärker und damit die Erzeugung des Gegenschallfeldes lediglich aktiviert werden soll, wenn ein Schiebedach oder Fenster sich in Bereichen befindet, in denen eine verstärkte Neigung zu einem Wummern gegeben ist.

Weiterer Stand der Technik ist aus DE 101 42 167 C1 und DE 100 36 394 A1 bekannt.

AUFGABE DER ERFINDUNG

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Verminderung eines Wummerns, insbesondere eines Schiebedachwummerns, vorzuschlagen, für die die Ausgestaltung eines elektrischen Schaltkreises zur Beeinflussung eines piezoelektrischen Aktuators vereinfacht ist. Weiterhin liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen in einer derartigen Vorrichtung einsetzbaren Aktuator hinsichtlich seines Aufbaues und der erzielbaren Stellwege, Stellkräfte und/oder Stellcharakteristik zu verbessern.

LÖSUNG

Die Aufgabe der Erfindung wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich entsprechend den abhängigen Ansprüchen 2-9. Eine weitere Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ergibt sich gemäß den Merkmalen des Anspruchs 10. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung weisen die Merkmale der Ansprüche 11 und 12 auf. Eine Lösung mit einer Kombination einer aktiven Regelung sowie einer passiven Regelung folgt aus Anspruch 13

BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung handelt es sich um eine Vorrichtung zur Verminderung eines Wummerns, insbesondere eines Schiebedachwummerns, in einem Innenraum wie beispielsweise einer Fahrgastzelle eines mit einer Außenströmung umströmten Fahrzeuges, wobei es sich bei der Außenströmung vorzugsweise um einen Fahrtwind handelt. Der Innenraum ist mit der Außenströmung im Bereich einer Öffnung gekoppelt, wobei es sich bei einer derartigen Öffnung beispielsweise um eine Schiebedach-Öffnung oder eine Fenster-Öffnung handelt. Die Kopplung oder eine Luftschwingung in dem Innenraum ist über einen piezopelektrischen Aktuator veränderbar, wobei der piezoelektrische Aktuator einen beliebigen, an sich aus dem Stand der Technik bekannten Aufbau aufweisen kann. Unter einem Aktuator wird im Folgenden nicht lediglich ein eine Kraft oder einen Weg in Abhängigkeit von einer elektrischen Beaufschlagung erzeugendes Piezoelement verstanden, sondern auch eine hiermit verbundene Wirkstruktur, über die die Kopplung oder eine Luftschwingung in dem Innenraum beeinflusst werden soll.
Erfindungsgemäß ist der Aktuator nicht mit einer externen elektrischen Leistungsversorgung verbunden, wie dieses beispielsweise entsprechend DE 197 50 218 C2 der Fall ist, sondern vielmehr als autarkes, passives System ausgebildet. Durch einen Entfall von elektrischen Verbindungen mit einer Leistungsversorgung verringert sich unter Umständen ein Montageaufwand und die Zahl erforderlicher elektrischer Elemente und der notwendigen Leitungsverbindungen. Unter Umständen ist eine Herstellung, Vormontage und Bereitstellung einer Vorrichtung zur Verminderung eines Wummerns als separate, vormontierte Baueinheit einschließlich Aktuator und elektromechanischem Netzwerk möglich.
Weiterhin kann abweichend zu DE 197 50 218 C2 die Vorrichtung ohne einen Sensor ausgebildet werden, da das Piezoelement selber als Sensor wirkt. Weiterhin erfordert die aus DE 197 50 218 C2 bekannte Ausgestaltung eine Beaufschlagung durch die Leistungsversorgung mit einer Spannung von 60 bis 100 V, was in Kraftfahrzeugen unerwünscht sein kann.
Unter einem passiven hybriden elektromechanischen Netzwerk wird mindestens ein elektrischer Kreis verstanden, bei dem die elektrische Energie in dem Kreis nicht durch eine äußere elektrische Leistungsversorgung verändert wird. Das passive hybride elektromechanische Netzwerk besitzt elektrische Bauelemente sowie mechanische Bauelemente, wobei zumindest ein elektrisches Bauelement und ein mechanisches Bauelement derart miteinander gekoppelt sind, dass eine mechanische Beaufschlagung des mechanischen Bauelementes, hier insbesondere durch die Außenströmung, zu einem elektrischen Energieeintrag in das passive hybride elektromechanische Netzwerk führt. Für eine derartige "Kopplung" eines elektrischen Bauelementes mit einem mechanischen Bauelement bietet sich insbesondere ein Piezoelement an.
Erfindungsgemäß ist das passive hybride elektromechanische Netzwerk mit einem elektrischen Schwingkreis ausgebildet. Dies bedeutet, dass für die Einbringung von Energie in das passive hybride elektromechanische Netzwerk durch mechanische Beaufschlagung des Piezoelementes, insbesondere durch die Außenströmung oder eine Luftschwingung in dem Innenraum, elektrische Energie in den elektrischen Schwingkreis eingebracht werden kann. In dem Schwingkreis kann sich zeitlich an eine bspw. sprungartige oder impulsartige Anregung ein transientes Ausschwingverhalten ergeben. Hingegen ergeben sich bei zeitlich andauernder und veränderlicher Anregung (beispielsweise turbulenter Anregung, periodischer Anregung oder stochastischer Anregung) erzwungene Schwingungen. Eine transiente Anregung eines Wummerns in einem Innenraum des Fahrzeuges hat zur Folge, dass im Anschluss an die Anregung der Aktuator ein Ausschwingverhalten ausführt, welches zu einer periodischen oszillierenden und abklingenden Kopplung zwischen Innenraum und Außenströmung führt. Bei geeigneter Auslegung der dynamischen und elektrischen Kenngrößen des elektrischen Schwingkreises kann durch eine derart oszillierende Kopplung einer Ausbreitung und Fortführung des Wummerns entgegengewirkt werden. Andererseits kann die Kopplung des Piezoelementes mit dem elektrischen Netzwerk zu einer erhöhten Dämpfung des mit dem Piezoelement gebildeten mechanischen Bauelementes führen. Weiterhin kann für eine zeitvariante Anregung, im einfachsten Fall eine periodische Anregung, in dem elektrischen Schwingkreis ein elektrisches Signal erzeugt werden, welches abhängig von dem Verhältnis der Frequenz der Anregung zu der Eigenfrequenz des elektrischen Schwingkreises phasenversetzt ist und eine unterschiedliche Verstärkung entsprechend der Verstärkungsfunktion des Netzwerkes besitzt. Bei geeigneter Wahl der dynamischen und elektrischen Kenngrößen des elektrischen Schwingkreises kann auf einfache Weise bewirkt werden, dass über die Verstärkungsfunktion eine Betätigung des Aktuators automatisiert angepasst ist an Umströmungsgeschwindigkeiten des Fahrzeuges, in denen eine Neigung zu einem Wummern besonders stark ausgebildet ist. Darüber hinaus kann durch geeignete Vorbestimmung der Phasenverschiebung durch Auswahl der elektrischen Komponenten des elektrischen Schwingkreise die Kopplung zwischen Innenraum und Außenströmung gerade so gestaltet werden, dass beispielsweise die Kopplung gerade dann verringert wird, wenn der Aktuator besonders von der Außenströmung beaufschlagt ist oder in dem Innenraum gerade ein Druckanstieg über einen mittleren Druck erfolgt.
Die Erfindung kann eine Interaktion ausnutzen zwischen

– dem mechanischen System, bspw. einem Windabweiser,
– der Strömung als Anregung,
– dem schwingungsfähigen Luftvolumen in der Fahrgastzelle und
– dem elektrischen System,

Das Netzwerk kann sowohl als Serien- als auch als Parallelschaltung realisiert sein. Bei Ausgestaltung in Form einer Parallelschaltung ist erfindungsgemäß die Erkenntnis ausgenutzt, dass sich für derartige Ausgestaltungsformen eine geringe Sensitivität gegenüber Parameteränderungen ergibt, so dass eine robuste Auslegung möglich ist. Für eine Ausgestaltung als Reihenschaltung spricht hingegen, dass für eine derartige Ausgestaltung unter Umständen eine geringere Anzahl von die dynamisch Auslegung des Netzwerkes zu berücksichtigenden Parametern einschlägig ist. Der Optimierung aller Parameter des piezoelektrischen Netzwerkes kommt für einen wirkungsvollen Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung zentrale Bedeutung zu. Diese kann unter Umständen nicht geschlossen möglich sein, da eine Zielfunktion hochgradig nicht linear sein kann. Zur Vermeidung einer vollständigen Modalanalyse in jedem Optimierungsschritt kann unter Umständen eine rein mechanische Struktur mit Hilfe eines FEM-Programms modelliert werden, in den Modalraum transformiert werden und anschließend erst mit den piezoelektrischen Eigenschaften verkoppelt werden. Ändert sich eine Eigenform oder die Eigenformen der mechanischen Struktur durch die Applikation eines Piezoelements nicht zu stark, kann mittels modaler Korrekturmethoden die Wirkung der Piezokeramiken erfasst werden. In einem derartigen Fall muss die mechanische Struktur also nicht neu modelliert werden. Sie wird vielmehr nur um zusätzliche modale Massen- und Steifigkeitsterme erweitert (vgl. Stefan Homann, Michael Rose, Elmar Breitbach: Hybride elektromechanische Netzwerke mit piezeoelektrischen Komponenten, Adaptronic Congress 2005, 31. Mai/01. Juni, Göttingen; Elmar Breitbach: Treatment of the Control Mechanism of Light Air Planes in the Flatter Clearence Process, NASA-CP-2085, Part II, pp. 437-466).
Obwohl keine Einspeisung elektrischer Energie in den elektrischen Schwingkreis von außen und damit das Netzwerk erfolgt, können die elektrischen Kenngrößen des passiven hybriden elektromechanischen Netzwerkes veränderbar sein, wodurch weitere Einflussgrößen auf eine Kopplung zwischen Innenraum und Außenströmung und weitere Beeinflussungsmöglichkeiten der Luftschwingung gegeben sein können. Beispielsweise kann mindestens ein elektrisches Bauelement einen Temperaturgang besitzen zur Adaption von wärmebedingten Problemen. Ebenfalls möglich ist eine manuelle Beeinflussung von elektrischen Kenngrößen, beispielsweise durch ein Werkstattpersonal oder den Fahrer des Fahrzeuges. Alternativ oder kumulativ ist eine Steuerung oder Regelung mindestens einer elektrischen Kenngröße möglich, wobei eine derartige Steuerung oder Regelung die elektrische Kenngröße beispielsweise

– als Funktion der Fahrgeschwindigkeit oder Umströmungsgeschwindigkeit,
– der Größe der Öffnung zwischen Innenraum und Außenströmung und/oder
– nach Maßgabe eines Drucksignales

Im einfachsten Fall kann das passive hybride elektromechanische Netzwerk ein besonderes Dämpfungsverhalten für die Kopplung und den piezoelektrischen Aktuator bereitstellen, wobei abweichend von mechanischen Dämpfungselementen das Dämpfungsverhalten durch die elektrischen Bauelement besonders einfach und mit guten Variationsmöglichkeiten vorgegeben werden kann.
Gemäß einem weiteren Vorschlag der Erfindung ist der Aktuator als elastisch verformbare Struktur ausgebildet, die ein Piezoelement aufweist. Insbesondere für den Fall, dass die elastisch verformbare Struktur, beispielsweise ein Windabweiser, unerwünschte Schwingungen ausführt, ist es von Vorteil, wenn die Eigenfrequenz des elektrischen Schwingkreises auf die oder eine Eigenfrequenz der Struktur ausgelegt wird, so dass sich gerade bei derartigen Frequenzen eine starke Wirkung des Netzwerkes zeigt und eine gute "Tilgungswirkung" eintritt.
Weitere Beeinflussungsmöglichkeiten für die sich ausbildenden Moden der Struktur ergeben sich, wenn diese als elastisches Faserverbundelement ausgebildet ist, da durch geeignete Auswahl und konstruktive Gestaltung der Bestandteile des Faserverbundelementes

– Vorzugsrichtungen für Verformungen und Steifigkeiten in unterschiedliche Raumrichtungen (Anisotropien) sowie unter Umständen
– gezielt einsetzbare Nichtlinearitäten

Ein besonders kompakter Aufbau der Struktur ergibt sich, wenn in dieser Piezopatchaktuatoren oder dünne piezokeramische Folien eingesetzt werden, die zumindest teilweise in die Struktur integriert sein können oder im Bereich einer äußeren Mantelfläche der Struktur appliziert sein können.
Der Aufwand zur Ausgestaltung des Netzwerkes kann dadurch weiter verringert werden, dass als Kapazität für den Schwingkreis oder als Bestandteil der Kapazität das Piezoelement genutzt wird, so dass das Piezoelement multifunktional zur elektrischen Leistungseinspeisung in den Schwingkreis, zur Erzeugung von "Rückstellkräften" sowie zur Vorgabe des kapazitiven Elementes in dem Schwingkreis dient.
Eine weitere Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist gegeben durch Einsatz eines aktiv geregelten piezoelektrischen Aktuators, wie dieser beispielsweise in DE 197 50 218 C2 im Detail beschrieben ist. Erfindungsgemäß ist in einem derartigen Fall der Aktuator als ein elastisch verformbares Faserverbundelement ausgebildet, welches einerseits kompakt, mit geringem Gewicht und vielfältigen Möglichkeiten für eine Ausgestaltung der Steifigkeiten, beispielsweise in unterschiedliche Raumrichtungen, ausgestattet ist und andererseits ein integriertes oder äußerlich appliziertes Piezoelement aufweist, dessen elektrischer Zustand mit einer Verformung des Faserverbundelementes korreliert. Durch Ausbildung des Piezoelementes als piezokeramische Folie ergibt sich ein besonders kompakter Aufbau.
Während gemäß DE 197 50 218 C2 die eigentliche Struktur und das Piezoelement separat voneinander ausgebildet sind und beispielsweise das Piezoelement einen Stelltrieb für einen Flügel bildet, der auch das Umströmungsverhalten des Fahrzeuges negativ beeinflussen kann, ergibt sich erfindungsgemäß eine integrale Ausbildung der Struktur, beispielsweise eines Windabweisers, die eine gute Umströmung des Fahrzeuges gewährleistet und auch hohen Designanforderungen genügen kann.
Weiterhin kann abweichend zu DE 197 50 218 C2 bei erfindungsgemäßer Ausgestaltung auf den Einsatz eines zusätzlichen Sensors wie eines Drucksensors im Inneren des Kraftfahrzeuges verzichtet werden, da der Aktuator gleichzeitig als Stellelement und als Sensor verwendet werden kann. Hierdurch kann der apparative Aufwand in dem Kraftfahrzeug verringert werden. Weiterhin ist es denkbar, dass durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung eine integrale Ausbildung der Vorrichtung als eine Baueinheit, zumindest mit einem derart zusammengefassten Sensor und Stellelement und der Struktur, möglich ist. Zusätzlich kann an einer derartigen Baueinheit eine entsprechende Regelungseinheit vorgesehen sein.
Eine besonders effiziente erfindungsgemäße Vorrichtung kann sich ergeben, wenn das oder ein Piezoelement im Bereich von Maxima der Dehnung oder Scherung der Struktur angeordnet ist. Hierdurch kann einerseits eine Auswirkung einer elektrischen Beaufschlagung des Piezoelementes auf die Struktur sowie andererseits die Einspreisung von Energie in den Schwingkreis vergrößert werden.
Eine weitere Vergrößerung der möglichen Betriebsarten der Vorrichtung und damit eine Anpassung der Vorrichtung zur Unterdrückung eines Wummerns an unterschiedliche Betriebsbereiche ist gegeben, wenn eine Einrichtung vorgesehen ist, über die ein Umschalten zwischen einem aktiven Betrieb, in dem eine geregelte Zufuhr elektrischer Energie von einer elektrischen Leistungsversorgung erfolgt, und einem passiven Betrieb möglich ist.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibungseinleitung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen. Weitere Merkmale sind den Zeichnungen – insbesondere den dargestellten Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer Bauteile zueinander sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung – zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso können in den Patentansprüchen aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen der Erfindung entfallen.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
Im Folgenden wird die Erfindung anhand in den Figuren dargestellter bevorzugter Ausführungsbeispiele weiter erläutert und beschrieben.
1 zeigt einen vereinfachten Teillängsschnitt eines bewegten Fahrzeuges mit einer als Windabweiser ausgebildeten erfindungsgemäßen Vorrichtung und einer Interaktion einer Außenströmung mit einem Innenraum über eine Schiebedach-Öffnung.
2 zeigt einen schematischen vereinfachten Aufbau eines erfindungsgemäßen passiven hybriden elektromechanischen Netzwerkes.
3 zeigt eine Ausgestaltung eines passiven Netzwerkes mit einem elektrischen Schwingkreis.
4 zeigt eine weitere Ausgestaltung eines passiven Netzwerkes mit einem elektrischen Schwingkreis.
5 zeigt eine Ausgestaltung eines passiven Netzwerkes mit einem elektrischen Schwingkreis mit dessen Integration in oder an eine mechanische Struktur wie einen Windabweiser.
6 zeigt eine Ausgestaltung eines passiven seriellen Netzwerkes mit einem elektrischen Schwingkreis.
7 zeigt eine Ausgestaltung eines passiven parallelen Netzwerkes mit einem elektrischen Schwingkreis.
8 zeigt eine weitere Ausgestaltung eines passiven parallelen Netzwerkes mit einem elektrischen Schwingkreis.
FIGURENBESCHREIBUNG
1 zeigt ein Fahrzeug 1, hier ein Kraftfahrzeug, welches in Folge der Fahrgeschwindigkeit von einer Außenströmung 2 umströmt ist. die Außenströmung 2 kommuniziert über eine Öffnung 3, hier eine Schiebedach-Öffnung, mit einem ansonsten geschlossenen Innenraum 4. Im vorderen Begrenzungsbereich der Öffnung 3 ist eine Struktur 5 angeordnet, die die Öffnung 3 begrenzt und/oder die Kopplung zwischen Außenströmung 2 und Innenraum 4 beeinflusst, beispielsweise durch Umlenkung der Außenströmung 2 im Bereich der Öffnung 3 und/oder Veränderung des Druckes im Bereich der Öffnung 3. Bei der Struktur 5 kann es sich beispielsweise um einen Windabweiser handeln, der beliebig, insbesondere entsprechend den eingangs genannten, aus dem Stand der Technik bekannten Ausgestaltungsformen gestaltet sein kann. Die Länge 6 der Öffnung 3 in Richtung der Längserstreckung des Fahrzeuges 1 ist durch Relativverschiebung eines Schiebedaches 7 gegenüber der Karosserie des Fahrzeuges 1 veränderbar.
2 zeigt schematisch eine Struktur 5. Bei der Struktur 5 kann es sich um einen Windabweiser handeln, eine Begrenzungsfläche für die Öffnung 3 oder eine beliebige andere Fläche, einen Lautsprecher oder ähnliches, über den oder die die Druckverhältnisse in dem Innenraum 4 des Fahrzeuges 1 beeinflusst werden können. Die Struktur 5 besitzt ein Piezoelement 8, welches im Inneren der Struktur 5 angeordnet ist und/oder im Bereich einer Außenfläche der Struktur 5 appliziert ist. Hierbei kann lediglich ein Piezoelement 8 oder können mehrere Piezoelemente 8 vorgesehen sein, das oder die sich vorzugsweise im Bereich von maximalen Krümmungen oder Dehnungen eines Modes oder mehrerer Moden der Struktur 5 befinden/befindet. Ebenfalls möglich ist eine Applikation an einer Position, die ein Optimum für mehrere einschlägige Moden der Struktur 5 darstellt. Für die Ausbildung der Struktur 5 als Biegestruktur kann es weiterhin von Vorteil sein, wenn das Piezoelement 8 möglichst weit entfernt von einer neutralen Faser der Struktur 5 angeordnet ist, wenn das Piezoelement 8 eine Längsdehnung erfasst. Andernfalls kann das Piezoelement 8 im Bereich einer neutralen Faser angeordnet sein, wenn das Piezoelement 8 eine Scherung erfasst.
Bei der Struktur 5 handelt es sich insbesondere um ein elastisch verformbares Faserverbundelement. Eine Anbindung zwischen Piezoelement 8 und weiteren Bestandteilen der Struktur 5 erfolgt derart, dass eine elastische Verformung der Struktur 5 mit einer elektrischen Beaufschlagung des Piezoelementes 8 einhergeht und umgekehrt eine elektrische Beaufschlagung des Piezoelementes 8 eine elastische Verformung der Struktur 5 hervorruft.
Das Piezoelement 8 ist Teil eines Netzwerkes 9, in dem das Piezoelement 8 über elektrische Verbindungen 10, 11 mit einer elektrischen Baugruppe 12 verbunden ist. Piezoelement 8 und elektrische Baugruppe 12 bilden einen elektrischen Schwingkreis 13 mit kapazitiven Elementen, induktiven Elementen und ohmschen Elementen, wobei die Eigenfrequenz durch das Verhältnis der Kapazität der kapazitiven Elemente sowie der Induktivität der induktiven Elemente beeinflussbar ist, während die Dämpfung des elektrischen Schwingkreises 13 über die ohmschen Elemente beeinflussbar ist. Vorzugsweise ist ein kapazitives Element des elektrischen Schwingkreises 13 mit dem Piezoelement 8 gebildet.
Die elektrische Baugruppe 12 kann separat zu der Struktur 5 mit dem Piezoelement 8 ausgebildet sein und für eine Montage der Struktur 5 über die Leitungen 10, 11 und geeignete Leitungsverbindungen mit dem Piezoelement 8 gekoppelt werden. Alternativ ist es möglich, dass die elektrische Baugruppe 12 mechanisch an der Struktur 5 befestigt ist, so dass die elektrische Baugruppe 12 und die Struktur 5 eine Baugruppe bilden. Alternativ ist eine Integration der elektrischen Baugruppe 12 in die Struktur 5 möglich. Somit kann die Struktur 5 eine Isolation und/oder einen Schutz für das Piezoelement 8 und/oder die elektrische Baugruppe bereitstellen.
Die zuvor beschriebene Kombination einer Struktur 5, eines Piezoelementes 8 und der elektrischen Baugruppe 12 stellt ein passives hybrides elektromechanisches Netzwerk dar, welches autark ist und keine externe Leistungseinspeisung benötigt. Über eine manuelle oder automatisierte Stelleinrichtung 14 und Stellsignale kann die Abstimmung des elektrischen Schwingkreises zusätzlich beeinflusst werden, sofern dies gewünscht ist. Hierbei kann die Stelleinrichtung 14 auf die elektrischen Kenngrößen der kapazitiven Elemente, der induktiven Elemente und/oder der ohmschen Elemente einwirken.
Alternativ oder kumulativ zu der passiven Ausgestaltung des elektromechanischen Netzwerkes kann eine externe Leistungseinspeisung von einer Leistungsversorgung 15 erfolgen, die in 2 gestrichelt dargestellt ist. Hierbei kann von der Leistungsversorgung 15 über geeignete Zu- und Ableitungen 16, 17 Energie hinzugeführt werden oder abgeführt werden, so dass die in dem elektrischen Schwingkreis 13 enthaltene Gesamtenergie verändert werden kann. Möglich ist eine permanente oder intermittierende Energiezufuhr, beispielsweise in Form eines periodischen Leistungssignals oder von einem oder mehreren Leistungspulsen. Zur Reduzierung der zuzuführenden Energie ist es möglich, einzelne Leistungsimpulse zu erzeugen, über die die kapazitiven Elemente mit einer Spannung aufgeladen werden und/oder die induktiven Elemente mit einem Strom beaufschlagt werden. Im Anschluss an einen derartigen Leistungspuls ergeben sich tansiente Schwingungen des elektrischen Schwingkreises 13. Beispielsweise nach einer vorbestimmten Zeit oder einem Abfall der transienten Schwingungen unter einen vorbestimmten Schwellwert kann erneut ein Leistungspuls erzeugt werden.
Im Vergleich zu mechanischen Dämpfern, Schwingungstilgern und dem Einsatz von dämpfenden Materialien, die diskrete Bauteile darstellen und lediglich punktuell wirken an ausgewählten Punkten, kann ein Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung an beliebigen Stellen erfolgen, flächig ausgebildet sein bei geringem Gewicht und geringen Bauraumanforderungen. Weiterhin ist durch die Anpassbarkeit der Ausgestaltung des elektrischen Schwingkreises 13 auch eine multimodale Anwendung möglich, was für mechanische Dämpfungseinrichtungen allenfalls erschwert möglich ist.
Die 3 bis 8 zeigen beispielhafte Ausgestaltungen für das passive hybride elektromechanische Netzwerk. In 3 ist gestrichelt das Piezoelement 8a dargestellt, welches naturgemäß eine Kapazität C_R besitzt und im Zuge einer Verformung eine Spannung V_P erzeugt. In dem in 3 dargestellten Schaltkreis ist ein ohmscher Widerstand R₁ parallel geschaltet zu einer Induktivität L₁.
Eine derartige Schaltung wird auch als parallele RL-Netzwerk bezeichnet.
Für das in 4 dargestellte Netzwerk sind der ohmsche Widerstand R₁ und die Induktivität L₁ in Reihe zueinander geschaltet, was auch als serielles RL-Netzwerk zu bezeichnen ist.
5 zeigt ein im Wesentlichen 4 entsprechendes Netzwerk, wobei allerdings die Anbindung des Piezoelementes 8c an die Struktur 5c, die beispielsweise ein Windabweiser ist, dargestellt ist. Des Weiteren ist zu erkennen, dass über eine geeignete Regelungseinrichtung 18 die Induktivität L₁ veränderbar ist, um das Netzwerk an unterschiedliche Betriebsweisen, insbesondere Strömungsgeschwindigkeiten, anzupassen.
6 zeigt ein weiteres passives Netzwerk, bei dem mehrere serielle Anordnungen von Kapazitäten C_i, Induktivitäten L_i und ohmschen Widerständen R_i, jeweils mit einer Eigenkreisfrequenz ω_i zueinander und zu dem Piezoelement 8d parallel geschaltet sind. Ein derartiges serielles Netzwerk dient als Bandpass, wobei bei geeigneter Auslegung jeder Zweig i einem Mode von Piezoelement 8 und Struktur 5 bzw. der Schwingung der Luftsäule in der Fahrgastzelle Rechnung tragen kann. Die Auslegung für eine derartige Ausgestaltung ist verhältnismäßig sensitiv gegenüber Parameteränderungen.
7 und 8 zeigen parallel Netzwerke, bei denen ebenfalls jeweils ein Zweig für einen Mode vorgesehen ist, wobei ein derartiges paralleles Netzwerk robuster gegenüber Parameteränderungen ist.

1: Fahrzeug
2: Aussenströmung
3: Öffnung
4: Innenraum
5: Struktur
6: Länge
7: Schiebedach
8: Piezoelement
9: Netzwerk
10: Leitung
11: Leitung
12: elektrische Baugruppe
13: elektrischer Schwingkreis
14: Stelleinrichtung
15: Leistungsversorgung
16: Leitung
17: Leitung
18: Regelungselement

Claims

Vorrichtung zur Verminderung eines Wummerns in einem Innenraum (4) eines mit einer Außenströmung (2) umströmten Fahrzeugs (1), wobei eine Kopplung des Innenraumes (4) mit der Außenströmung (2) im Bereich der Öffnung (3) erfolgt und die Kopplung oder eine Luftschwingung in dem Innenraum (4) über einen mit einem Piezoelement (8) gebildeten Aktuator veränderbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Piezoelement (8) Teil eines passiven hybriden elektromechanischen Netzwerkes (9) mit einem elektrischen Schwingkreis (13) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Netzwerk (13) als Parallelschaltung realisiert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Kenngrößen des passiven hybriden elektromechanischen Netzwerkes (9) veränderbar sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator eine elastisch verformbare Struktur (5) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Eigenfrequenz des elektrischen Schwingkreises (13) der oder einer Eigenfrequenz der Struktur (5) entspricht.
Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die elastisch verformbare Struktur (5) mindestens ein Piezoelement (8) aufweist, dessen elektrischer Zustand mit einer Verformung der Struktur (5) korreliert.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur (5) ein elastisches Faserverbundelement ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Faserverbundelement mit einem integrierten oder äußerlich applizierten Piezoelement ausgebildet ist, welches eine piezokeramische Folie ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kapazität des elektrischen Schwingkreises (13) mit dem Piezoelement (8) gebildet ist.
Vorrichtung zur Unterdrückung eines Wummerns in einem Innenraum (4) eines mit einer Außenströmung (2) umströmten Fahrzeugs (1), wobei eine Kopplung des Innenraumes (4) mit der Außenströmung (2) im Bereich der Öffnung (3) erfolgt und die Kopplung oder eine Luftschwingung in dem Innenraum (4) über einen Aktuator mit einem aktiv geregelten Piezoelement (8) veränderbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator ein elastisch verformbares Faserverbundelement (Struktur 5) ist mit einem integrierten oder äußerlich applizierten Piezoelement (8), dessen elektrischer Zustand mit einer Verformung des Faserverbundelements (Struktur 5) korreliert und welches als piezokeramische Folie ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Piezoelement (8) im Bereich maximaler Dehnungen oder Scherungen der Struktur (5) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur (5) oder das Faserverbundelement als Windabweiser ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 sowie einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung zum Umschalten zwischen einem aktiven Betrieb und einem passiven Betrieb des Aktuators vorgesehen ist.