DE102009050683A1

DE102009050683A1 - Kraftfahrzeug mit einem am Fahrzeug-Aufbau befestigten aktiven Schwingungstilger

Info

Publication number: DE102009050683A1
Application number: DE102009050683A
Authority: DE
Inventors: Jörg Forsen; Sebastian Granzow
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2009-10-26
Filing date: 2009-10-26
Publication date: 2011-04-28

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit zumindest einem am Fahrzeug-Aufbau befestigten aktiven Schwingungstilger, der unter Auswertung einer Karosserieschwingungen erfassenden Sensorik gezielt ansteuerbar ist, wobei die schwingfähige Tilgermasse durch elektrisch erzeugte Kräfte gegen Federkraft in Schwingungen versetzbar ist und deren Maße in der Größenordnung von 0,5 Kilogramm bis 6 Kilogramm liegt. Mit einem oder mehreren solcher Tilger kann die Karosseriesteifigkeit und somit die Fahrzeug-Masse ohne Komforteinbuße erheblich reduziert werden. Vorzugsweise erstreckt sich die Wirkrichtung der zwei oder vier Schwingungstilger im Wesentlichen in Richtung der Fahrzeug-Höhenachse. Als Sensorik zur Erfassung fahrbahninduzierter Karosserieschwingungen können mehrere Sensoren in der Nähe der Schwingungstilger und/oder in der Nähe eines Fahrzeug-Insassen und/oder im Bereich der Radaufhängung(en) des Fahrzeugs vorgesehen sein. Es können unterschiedlichen vom Fahrer wählbaren Fahrprogrammen, unterschiedliche Wirkungsweisen des Schwingungstilgers zugeordnet sein und es kann die in einem nicht aktivierten und unter Einfluss von Anregungen freischwingenden Schwingungstilger gewonnene elektrische Energie in das elektrische Bordnetz des Fahrzeugs einspeisbar sein.

Description

Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit zumindest einem am Fahrzeug-Aufbau befestigten aktiven Schwingungstilger, der unter Auswertung einer Karosserieschwingungen erfassenden Sensorik gezielt ansteuerbar ist. Zum technischen Umfeld wird neben der DE 198 39 464 C2 insbesondere auf die EP 0 760 437 B1 verwiesen.
Bekanntlich wird die Karosserie eines Kraftfahrzeugs, bspw. PKW's im Fahrbetrieb durch Fahrbahnunebenheiten zu Schwingungen angeregt. Dabei kann man zwischen lokalen Schwingungen einzelner, isolierter Fahrzeugbereiche sowie globalen Schwingformen des gesamten Fahrzeuges unterscheiden. Die globalen Schwingformen resultieren aus Fahrbahnanregungen der Eigenfrequenzen von Fahrwerk und Karosserie. Derartige Fahrzeugschwingungen wirken störend auf den Fahrkomfort.
Es ist allgemein bekannt, dass sich Schwingungen grundsätzlich durch die folgenden drei grundsätzlich Arten vermeiden lassen, nämlich durch Entkopplung von der Anregung, durch Erhöhung der Struktursteifigkeit der angeregten Struktur und durch Tilgung. Als Beispiel für eine Entkopplung können bekannte Stoßdämpfer und Hydro-Motorlager angeführt werden. Die Erhöhung insbesondere der Karosserie-Struktursteifigkeit stellt einen Entwicklungsschwerpunkt aller Kraftfahrzeuge dar. Beispielsweise zeigt die DE 39 05 650 C2 , wie eine Fahrzeugkarosserie durch Streben versteift werden kann. Als Schwingungskompensationsmaßnahme ist es weiter bekannt, der Karosseriestruktur sogenannte passive Schwingungstilger zuzuordnen. Diese bestehen aus einem Ein-Massenschwinger, bei dem die Tilgermasse über Feder-/Dämpferelemente (z. B. Gummilager) an die Karosseriestruktur angekoppelt wird.
Allen diesen passiven Maßnahmen ist der Nachteil gemein, dass sie nur auf einen einzelnen, fahrzeugspezifischen Betriebspunkt des Fahrzeuges effizient ausgelegt werden können. Bestrebungen, diesen Nachteil durch aktive, adaptive Mechatroniksysteme auszugleichen finden sich auch bereits an Kraftfahrzeug, wobei neben aktiven Stoßdämpfern bspw. aus der EP 0 547 469 B1 aktive Motorlager bekannt sind. Weiterhin beschreibt die DE 198 20 617 C2 quasi aktive Streben zur Beeinflussung der Struktursteifigkeit eine Fahrzeug-Karosserie. Ferner sind in der DE 103 17 743 A1 Piezoaktuatoren zwischen einem Hinterachsgetriebe und der Karosserie eines Fahrzeugs bekannt, mittels derer die Übertragung von Geräuschen im wesentlichen unterbunden werden soll. Ebenfalls ein piezoelektrischer oder ein hydraulischer Schwingungstilger ist in der DE 10 2004 006 247 A1 zur Einleitung einer Gegenkraft oder eines Gegenmoments im Bereich der Türbrüstung eines PKW's zum Ausgleich einer während des Fahrbetriebs entstehenden Biege- und/oder Torsionsverformung vorgeschlagen. Schließlich ist aus der gattungsbildenden EP 0 760 437 B1 eine Vorrichtung zum Bedampfen von Karosserieschwingungen mit einer hydraulisch bewegbaren Tilgermasse bekannt.
Grundsätzlich wird angestrebt, den Energiebedarf von Kraftfahrzeugen zu verringern. Dem steht jedoch die mit stetig steigenden Komfortzielen einhergehende Erhöhung der Karosseriesteifigkeit, die bislang stets zu einer Erhöhung der Fahrzeugmasse führte, entgegen. Unter energetischen Aspekten, aber auch unter Kostenaspekten hat eine Reduzierung des Gewichts der Fahrzeug-Karosserie somit hohe Priorität, jedoch geht damit üblicherweise eine Verringerung der Karosseriesteifigkeit einher, was unter Komfort-Gesichtspunkten unerwünscht ist. Zwar können – wie der letztgenannte Stand der Technik lehrt – unerwünschte Karosserieschwingungen durch den Einsatz von aktiven Schwingungstilgern zumindest teilweise vermieden werden, jedoch besitzt das in dieser Schrift vorgeschlagene Schwingungstilger-System insbesondere aufgrund der hydraulischen Aktivierung ein hohes Gewicht und ist darüber hinaus nicht ausreichend effizient.
Eine Abhilfemaßnahme für diese geschilderte Problematik aufzuzeigen, ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung.
Die Lösung dieser Aufgabe ist für ein Kraftfahrzeug nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dadurch gekennzeichnet, dass die schwingfähige Tilgermasse des Schwingungstilgers durch elektrisch erzeugte Kräfte gegen Federkraft in Schwingungen versetzbar ist und dass die Masse dieser schwingfähigen Tilgermasse in der Größenordnung von 0,5 Kilogramm bis 6 Kilogramm liegt. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform liegt diese Masse in der Größenordnung von 2 Kilogramm bis 6 Kilogramm. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen sind Inhalt der Unteransprüche.
Erfindungsgemäß kommt ein Schwingungstilger zum Einsatz, dessen Tilgermasse elektrisch, vorzugsweise durch Elektromagneten, in Bewegung versetzbar ist, wobei auf diese Tilgermasse zusätzlich Federelemente einwirken, so dass ein elektrodynamischer Aktuator zum Einsatz kommen soll. Ein solcher elektrodynamischer Aktuator ist beispielsweise in der eingangs bereits genannten DE 198 39 464 C2 gezeigt. Dabei wurde erkannt, dass mit dem angegebenen Größenbereich für die Masse der Tilgermasse in der Größenordnung von 0,5 Kilogramm bis 6 Kilogramm, durch welchen sich ein hier vorgeschlagener Schwingungstilger signifikant von den bereits bekannten piezoelektrischen Schwingungstilgern unterscheidet, ein guter Kompromiss zwischen dem Bedarf an elektrischer Energie und der Fähigkeit, den Komfort beeinträchtigende Karosserie-Schwingungen tilgen zu können, gefunden ist. Dabei sollen insbesondere die von der Fahrbahn, auf welcher sich das Kraftfahrzeug bewegt, induzierten sog. Komfort-Schwingungen der Karosserie mittels des Schwingungstilgers (oder mehrerer Schwingungstilger) signifikant reduziert bzw. wünschenswerterweise ausgelöscht werden. In diesem Sinne kann der Frequenzbereich, in dem die Tilgermasse gut schwingen kann, in der in der Größenordnung zwischen 1 Hertz und über 100 Hertz (bis zu 150 Hertz) liegen, wenngleich der bevorzugte Frequenzbereich, in welchem Karosserieschwingungen zu tilgen sind und in welchem folglich auch der oder die Schwingungstilger zu arbeiten in der Lage sein sollte(n), in der Größenordnung zwischen 10 Hertz und 45 Hertz liegt.
Hinsichtlich der Auslegung des Gesamtsystems von Fahrzeug-Karosserie und Schwingungstilger-System soll sich letzteres in einer den Gesamtenergiebedarf des Fahrzeugs reduzierenden Weise auswirken. Hierzu kann der oder können die ggf. mehreren vorgeschlagene(n) aktiven Schwingungstilger einen Beitrag leisten, indem bei der Auslegung der Fahrzeug-Karosserie unter Beibehaltung eines vorgegebenen Komfortziels die Karosseriesteifigkeit und damit die Masse des Fahrzeug-Aufbaus soweit reduziert wird, dass der Gesamtenergiebedarf des Fahrzeugs inklusive des Energiebedarfs des Schwingungstilgers in einem definierten Fahrbetrieb gegenüber der bisherigen Karosserie-Auslegung (ohne aktive Schwingungstilger) reduziert wird. Die Erreichung des Ausgangskomfortzustandes bei reduzierter Karosseriesteifigkeit erfolgt dabei durch die aktiv hinzugefügte Tilgerkraft. Entsprechend der Erfindung leisten die aktiven Schwingungstilger damit einen Beitrag zum Leichtbau und zur Senkung des Fahrzeuggesamtenergiebedarfes. Erste Simulationsergebnisse weisen bei einem üblichen Cabriolet eine Gewichtsreduktion von ca. 50 Kilogramm aus.
Der oder die Schwingungstilger wird/werden vorzugsweise solchermaßen in der Karosserie platziert, dass sich ein möglichst großer Hebelarm der Tilgerkraft zum relevanten Schwingungsknoten ergibt. So empfehlen sich die vier Eckbereiche des Fahrzeugs bzw. Fahrzeug-Aufbaus zur Tilgung globaler Fahrzeugschwingformen. Ferner können durch Verbau von zwei oder vier Schwingungstilgern in symmetrischer Anordnung (d. h. auf der linken und der rechten Fahrzeug-Seite) und geeigneter entsprechender Ansteuerung diese mehreren aktiven Schwingungstilger Torsionsschwingungen und Biegeschwingungen in der Karosserie tilgen. Die Wirkrichtung der Tilgerkräfte ist vorzugsweise uni-axial entlang der Fahrzeughöhenachse.
Für die Position der zur Erfassung insbesondere fahrbahninduzierter Karosserieschwingungen vorzusehenden Sensorik in Form eines oder mehrerer Beschleunigungssensoren werden die folgenden Bereiche alternativ oder nebeneinander vorgeschlagen, nämlich nahe eines Schwingunstilgers und/oder an für den oder die Fahrzeuginsassen komfortrelevanten Punkten (so bspw. an der Sitzschiene, an einem Innenspiegel oder ähnlichem) und/oder im Bereich der ungefederten Massen zur direkten Sensierung der Anregung, d. h. im Bereich der Radaufhängung(en) des Fahrzeugs.
Die vorgeschlagene Verwendung aktiver Schwingungstilger der beanspruchten Art stellt eine robuste, leichte und kostengünstige Lösung zur aktiven Schwingungstilgung dar. Durch den Einsatz solcher aktiver Schwingungstilger ist es möglich, gänzlich neue Auslegungswege in der Karosserieentwicklung zu gehen und den bekannten, dem Stand der Technik entsprechenden Weg der Erhöhung der Karosseriesteifigkeiten (Gewichtsmehrung) mit zunehmenden Komfortzielen zu verlassen. Durch die erfindungsgemäße Verwendung der Schwingungstilger als Leichtbaumaßnahme, respektive zur Senkung des Fahrzeug-Energiebedarfs entsteht darüber hinaus ein völlig neuer Ansatz. Weiter ergibt sich durch den erfindungsgemäßen Einsatz der aktiven Schwingungstilger zur Senkung des Fahrzeugenergiebedarfs die Möglichkeit, die Wirkungsweise des Schwingungstilgers aktiv mit unterschiedlichen, bspw. vom Fahrer des Kraftfahrzeugs wählbaren Fahrprogrammen zu verknüpfen. In einem Wirtschaftlichkeits-Modus oder in einem Sport-Modus beispielweise lässt sich der Einsatz des aktiven Schwingungstilgers entsprechend stark reduzieren oder abschalten, womit der Energiebedarf des Fahrzeuges situativ weiter gesenkt wird. In Betriebsphasen der Inaktivität der Schwingungstilger kann zudem elektrische Energie, die im dann unter Einfluss von insbesondere fahrbahninduzierten Anregungen freischwingenden Schwingungstilger, genauer von dessen freischwingender Tilgermasse, gewonnen wird, in das elektrische Bordnetz des Fahrzeugs oder einen elektrischen Energiespeicher desselben eingespeist werden.
In elektrisch betriebenen Fahrzeugen wird durch die zu verbauenden Energiespeicher die Fahrzeugmasse ansteigen. Werden die Energiespeicher karosseriefest verbaut, so sinkt dadurch die Karosserieeigenfrequenz, welche damit vermehrt durch Fahrbahnanregungen bzw. Fahrwerkanregungen zu Schwingungen angeregt wird. Dies führt zu einer Verschlechterung des Schwingungskomforts. Der erfindungsgemäße Einsatz aktiver Schwingungstilger kann dem wirkungsvoll entgegenwirken.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19839464 C2 [0001, 0008]
EP 0760437 B1 [0001, 0004]
DE 3905650 C2 [0003]
EP 0547469 B1 [0004]
DE 19820617 C2 [0004]
DE 10317743 A1 [0004]
DE 102004006247 A1 [0004]

Claims

Kraftfahrzeug mit zumindest einem am Fahrzeug-Aufbau befestigten aktiven Schwingungstilger, der unter Auswertung einer Karosserieschwingungen erfassenden Sensorik gezielt ansteuerbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die schwingfähige Tilgermasse des Schwingungstilgers durch elektrisch erzeugte Kräfte gegen Federkraft in Schwingungen versetzbar ist und dass die Masse dieser Tilgermasse in der Größenordnung von 0,5 Kilogramm bis 6 Kilogramm liegt.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Schwingungstilger im wesentlichen symmetrisch im Fahrzeug angeordnet sind.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Wirkrichtung des oder der Schwingungstilger(s) im wesentlichen in Richtung der Fahrzeug-Höhenachse erstreckt.
Kraftfahrzeug nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorik zur Erfassung insbesondere fahrbahninduzierten Karosserieschwingungen ausgelegt ist.
Kraftfahrzeug nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Sensoren der Sensorik in der Nähe des oder der Schwingungstilger(s) und/oder in der Nähe eines Fahrzeug-Insassen und/oder im Bereich der Radaufhängung(en) des Fahrzeugs vorgesehen sind.
Kraftfahrzeug nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass unterschiedlichen vom Fahrer wählbaren Fahrprogrammen unterschiedliche Wirkungsweisen des oder der Schwingungstilger(s) zugeordnet sind.
Kraftfahrzeug nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die in einem nicht aktivierten und unter Einfluss von Anregungen freischwingenden Schwingungstilger gewonnene elektrische Energie in das elektrische Bordnetz des Fahrzeugs oder einen elektrischen Energiespeicher desselben einspeisbar ist.