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Die Erfindung betrifft einen aktiven Schwingungstilger, insbesondere zur Anordnung am Aufbau eines Kraftfahrzeugs, der vorzugsweise unter Auswertung einer zu tilgende Schwingungen erfassenden Sensorik gezielt ansteuerbar ist, indem eine schwingfähige Tilgermasse durch elektromagnetisch erzeugte Kräfte gegen die Kraft eines Federelements in Schwingungen versetzbar ist. Zum Stand der Technik wird neben der nicht vorveröffentlichten
deutschen Patentanmeldung 10 2009 050 683.7 auf die
DE 198 39 464 C2 verwiesen.
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Auf eine bevorzugte, jedoch nicht ausschließliche Einsatzmöglichkeit eines aktiven Schwingungstilgers nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 eingehend wird bekanntlich die Karosserie eines Kraftfahrzeugs im Fahrbetrieb durch Fahrbahnunebenheiten zu Schwingungen angeregt. Dabei unterscheidet man zwischen lokalen Schwingungen einzelner, isolierter Fahrzeugbereiche sowie globalen Schwingformen des gesamten Fahrzeuges. Die globalen Schwingformen resultieren aus Fahrbahnanregungen der Eigenfrequenzen von Fahrwerk und Karosserie. Derartige Fahrzeugschwingungen wirken störend auf den Fahrkomfort.
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Es ist allgemein bekannt, dass sich Schwingungen auf drei grundsätzlich unterschiedliche Arten vermeiden lassen, nämlich durch Entkopplung von der Anregung, durch Erhöhung der Struktursteifigkeit der angeregten Struktur sowie durch Tilgung. Dabei kann zwischen passiven und aktiven Maßnahmen unterscheiden, wobei passive Maßnahmen den Nachteil aufweisen, dass sie nur auf einen einzelnen, nur ein äußert schmales Frequenzband abdeckenden fahrzeugspezifischen Betriebspunkt bspw. des Fahrzeuges effizient ausgelegt werden können. Demgegenüber vorteilhafter ist es, aktive, adaptive Mechatroniksysteme bzw. Tilger-Systeme vorzusehen, mit denen auf Schwingungsanregungen unterschiedlicher Frequenzen reagiert werden kann.
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So zeigt beispielsweise die eingangs zweitgenannte
DE 198 39 464 C2 einen elektrodynamischen Aktuator mit schwingendem Feder-Masse-System, der als Schwingungstilger für verschiedenste Anregungsfrequenzen verwendet werden kann, wenn ein Elektromagnet dieses Aktuators, mittels dessen die schwingfähige Tilgermasse in Schwingung versetzt wird, geeignet angesteuert, d. h. erregt wird.
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In der eingangs erstgenannten nicht vorveröffentlichten Patentanmeldung ist ein Kraftfahrzeug mit zumindest einem am Fahrzeug-Aufbau befestigten aktiven Schwingungstilger beschrieben, der unter Auswertung einer Karosserieschwingungen erfassenden Sensorik gezielt ansteuerbar ist, wobei die schwingfähige Tilgermasse des Schwingungstilgers durch elektrisch, vorzugsweise durch elektromagnetisch erzeugte Kräfte gegen eine Federkraft in Schwingungen versetzbar ist und wobei das Gewicht dieser schwingfähigen Tilgermasse in der Größenordnung von 0,5 Kilogramm bis 6 Kilogramm liegt.
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Aktive Schwingungstilger-Systeme bestehen aus einem passiven Feder-Masse-System, welches (grundsätzlich auf unterschiedliche Art und Weisen, vorliegend jedoch elektromagnetisch) aktiv und steuerbar zu Schwingungen angeregt werden kann. Die größte Tilgerkraft bei minimalem Bedarf an für die Anregung benötigter (vorliegend elektrischer) Energie wird an einem solchen aktiven Schwingungstilger bekanntlich dann erreicht, wenn das genannte Feder-Masse-System in seiner Eigenfrequenz schwingt bzw. angeregt wird. Diese Eigenfrequenz ist bekanntlich von der Federsteifigkeit des Federelements des Schwingungstilgers und von der Tilgermasse, d. h. von der Masse (= Gewicht) dieser Tilgermasse abhängig.
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Diese beiden letztgenannten Größen (Federsteifigkeit und Tilgermasse) sind zunächst konstant, so dass ein Schwingungstilger durch geeignete Auswahl des Federelements sowie der Tilgermasse auf eine gewünschte Eigenfrequenz hin ausgelegt werden oder sein kann. Zwar ist es durch eine geeignete elektronische Ansteuerung des die Tigermasse durch elektromagnetische Kräfte in Schwingungen versetzenden Elektromagneten eines aktiven Schwingungstilgers (nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1) möglich, diesen Schwingungstilger auch zu Schwingungen mit nahezu beliebigen anderen Frequenzen anzuregen. Jedoch wird für die Darstellung solcher Schwingungszustände des Tilgers außerhalb der Eigenfrequenz des Tilgers ein signifikant vermehrter Eintrag von elektrischer Energie in den Elektromagneten und somit in das Tilger-System benötigt. Dies geht zu Lasten des energetischen Wirkungsgrades eines aktiven Tilgers.
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Bei der Verwendung eines aktiven Tilgers (= Schwingungstilgers) in einem Kraftfahrzeug muss die vom Tilger benötigte elektrische Energie vom Fahrzeug bereit gestellt werden. Damit verursachen aktive Tilger einen Teil des Gesamtenergiebedarfs des Fahrzeuges. Unter dem Gesichtspunkt der Senkung des Gesamtenergiebedarfs von Kraftfahrzeugen sollten folglich auch gegebenenfalls vorgesehene aktive Tilger hinsichtlich Wirkung und Energiebedarf optimal auslegt sein.
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Bekanntlich liegen an einem Kraftfahrzeug aufgrund von dessen individueller Nutzung und in Abhängigkeit von Geschwindigkeit und Fahrbahnoberfläche die unterschiedlichsten Anregungsspektren für Schwingungen vor. Wie bereits erläutert wurde, können zwar mit aktiven Tilgern solche breitbandigen Anregungsspektren deutlich besser getilgt werden als mit passiven Schwingungstilgern, jedoch geht mit der Tilgung von Schwingungszuständen außerhalb der Eigenfrequenz des aktiven Tilgers ein nennenswert erhöhter Energiebedarf einher, was grundsätzlich unerwünscht ist.
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Eine Abhilfemaßnahme für diese geschilderte Problematik aufzuzeigen, ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung.
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Die Lösung dieser Aufgabe ist für einen aktiven Schwingungstilger nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dadurch gekennzeichnet, dass mittels zumindest eines Piezoelements eine zusätzliche Kraftkomponente über das Federelement in das Schwingungstilger-System einleitbar ist, so dass die (sog. scheinbare) Eigenfrequenz des Feder-Masse-Systems des Schwingungstilgers zumindest geringfügig veränderbar ist. Dabei kann das Federelement durch eine oder mehrere Blattfeder(n) gebildet sein, auf der oder denen mehrere parallel oder individuell ansteuerbare Piezoelemente aufgebracht sind.
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Vorgeschlagen wird also, bei einem aktiven Schwingungstilger mit einer durch elektromagnetisch erzeugte Kräfte gegen die Kraft eines Federelements in Schwingungen versetzbaren schwingfähigen Tilgermasse – bspw. gemäß der aus der
DE 198 39 464 A1 bekannten Bauart – das zur federnden Lagerung der Schwingmasse verwendete Federelement, beispielsweise eine Blattfeder oder im Falle mehrerer Blattfedern vorzugsweise sämtliche zur federnden Lagerung der Schwingmasse verwendeten Blattfedern (bzw. allgemein Federelemente) solchermaßen mit aktiv ansteuerbaren Piezo-Elementen zu bestücken, dass mit diesen Piezo-Elementen eine zusätzliche Kraftkomponente quasi in Form einer additiven Federkraft zusätzlich zu der den Blattfedern (bzw. allgemein dem oder den Federelement(en)) inhärenten Federkraft erzeugt bzw. in das schwingfähige Feder-Masse-System des Schwingungstilgers eingebracht werden kann. Damit lässt sich eine aktive, steuerbare scheinbare Eigenfrequenzbeeinflussung des Feder-Masse-Systems des aktiven Tilgers erreichen, wie im folgenden erläutert wird.
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Bekanntlich ermittelt sich die Kreiseigenfrequenz (ω0) eines Feder-Masse-Schwingers unter Vernachlässigung der Materialdämpfung als Quadratwurzel des Quotienten aus der Federsteifigkeit (c) der Federelemente und der Masse (m) der schwingfähigen Masse (= Tilgermasse) des Feder-Masse-Schwingers. Die Eigenfrequenz (f0) selbst ist durch den Quotienten aus der Kreiseigenfrequenz (ω0) und der Zahl 2π definiert. Die Federsteifigkeit (c) eines Federelements ist bekanntlich als Quotient der Federkraft (FFeder) und des Federwegs (Δs) definiert. Wirken nun erfindungsgemäß zusätzlich zur Federkraft (FFeder) sog. Piezo-Kräfte (FPiezo) von Piezoelementen, so addiert sich deren Kraft (FPiezo) zur Federkraft (FFeder) der Federelemente hinzu, wodurch sich bei einem definierten Schwing-Weg (Δs) die scheinbare Federsteifigkeit (c) erhöht. Dann nämlich stellt sich die Kreiseigenfrequenz (ω0) unter Verwendung des Zeichens „sqrt” für die „Quadratwurzel” und „/” für eine Division wie folgt dar: (ω0) = sqrt(((FFeder + FPiezo)/Δs)/m). Somit führt die Hinzufügung von durch am Federelement oder an den Federelementen vorgesehenen Piezoelementen erzeugten Piezokräften zu einem scheinbaren Anstieg der Kreiseigenfrequenz des Feder-Masse-Systems eines erfindungsgemäßen Schwingungstilgers, weswegen diese Eigenfrequenz vorliegend auch als scheinbare Eigenfrequenz bezeichnet wird.
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Selbstverständlich wird zur Erzeugung der Piezo-Kraft durch die Piezoelemente ebenfalls elektrische Energie benötigt, jedoch ist diese zusätzlich benötigte elektrische Energie, aufgrund derer das Feder-Masse-System nun vom Elektromagneten mit seiner geänderten (scheinbaren) Eigenfrequenz angeregt werden kann, erheblich niedriger, als wenn der Elektromagnet die Tilgermasse mit der gleichen Frequenz, die jedoch ohne Krafteintrag durch die Piezoelemente nicht der (scheinbaren) Eigenfrequenz des Feder-Masse-Systems entspricht, anregen müsste.
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Was die Regelung eines erfindungsgemäßen aktiven Schwingungstilgers betrifft, so ist nun neben der geeigneten Ansteuerung bzw. Regelung des die schwingfähige Tilgermasse mit einer gewünschten Schwing-Frequenz in Bewegung versetzenden Elektromagneten eine geeignete Ansteuerung bzw. Regelung der Piezo-Kraft des oder der Piezoelemente(s) ein Bestandteil der Gesamtregelung eines erfindungsgemäßen aktiven Schwingungstilgers.
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Ein vergleichbarer Effekt wie die Einbringung zusätzlicher Kräfte bzw. Feder-Kräfte durch Piezoelemente ließe sich theoretisch auch durch physisches Ankoppeln oder Abkoppeln von zusätzlichen schwingfähigen Masse-Elementen und/oder von zusätzlichen Federelementen an das bzw. von dem Feder-Masse-System eines aktiven Tilgers erreichen. Allerdings ist ein solcher Ansatz in der Realisierung erheblich aufwändiger als die hier vorgeschlagene Lösung und es lassen sich durch Ankoppeln oder Abkoppeln von Masse-Elementen und/oder Federelementen auch nur diskrete, vorbestimmte Eigenfrequenz-Zustände darstellen. Demgegenüber erlaubt die hier vorgeschlagene Verwendung von Piezo-Elementen in Kombination mit dem oder den Federelemente(n), beispielsweise Blattfedern, eine kontinuierliche und über den elektrischen Steuerstrom für die Piezoelemente praktisch stufenlose beeinflussbare Variation der Eigenfrequenz, welche wie bereits erwähnt besser als scheinbare Eigenfrequenz bezeichnet wird, da die physikalisch bestimmte Eigenfrequenz ohne zusätzliche Krafteinleitung durch die Piezoelemente selbstverständlich konstant ist.
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Was die Verwendung eines erfindungsgemäßen aktiven Schwingungstilgers am Aufbau eines Kraftfahrzeugs betrifft, so haben Berechnungen am Gesamt-Fahrzeug unter Zugrundelegung unterschiedlicher Fahrgeschwindigkeiten und Fahrbahn-Anregungsspektren gezeigt, dass die Eigenfrequenz des Feder-Masse-Systems eines aktiven Tilgers für einen energieoptimalen Betrieb je nach Anregungszustand lediglich um bis zu ±5 Hertz veränderbar sein muss. Beispielsweise liegt die zur Tilgung des ersten Torsionsmodes eines Cabriolets benötigte Eigenfrequenz (fo) des Feder-Masse-Systems eines aktiven Schwingungstilgers für einen energie-optimalen Betrieb bei einer ausgewählten Landstraßenfahrt des Cabriolets mit einer Geschwindigkeit von 57 km/h bei 20,5 Hertz. Bei einer ausgewählten Autobahnfahrt mit einer Geschwindigkeit von 120 km/h liegt die entsprechende Eigenfrequenz demgegenüber bei 17,5 Hertz und bei einer Stadtfahrt mit einer Geschwindigkeit von 33 km/h bei 17 Hertz. Beispielsweise besitzt ein Feder-Masse-System mit einer Schwing-Masse m = 3 kg und einer Federsteifigkeit c = 34 N/mm des Federelements eine Eigenfrequenz von f0 = 17 Hertz. Zum Erreichen einer Eigenfrequenz von f0 = 20,5 Hertz bei gleichbleibender Schwingmasse (= Masse der schwingfähigen Masse = Tilgermasse) ist durch die Piezo-Elemente ein zusätzlicher Steifigkeits-Anteil von cpiezo = 16 N/mm aufzubringen.
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Die beigefügte Prinzipskizze zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen aktiven Schwingungstilgers, das hinsichtlich seines grundsätzlichen Aufbaus dem in der eingangs genannten
DE 198 39 464 C2 gezeigten elektrodynamischen Aktuator mit schwingendem Feder-Masse-System ähnlich ist.
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Mit der Bezugsziffer 1 ist eine schwingfähige Masse (= Tilgermasse) gekennzeichnet, die zwischen zwei Federelementen 2 in Form von Blattfedern derart eingespannt ist, dass diese Masse 1, welche einen Permanentmagneten 1a enthält, in Vertikalrichtung (Pfeilrichtung 3) oszillierend schwingen kann. Dabei ist diese schwingfähige Masse 1 (inklusive des Permanentmagneten 1a) konzentrisch von einer Magnetspule 4 umhüllt, deren Achse in Pfeilrichtung 3 liegt. Diese Magnetspule 4 wird von einem Träger 5 getragen, an welchem vorliegend auch die Federelemente 2 befestigt sind. Sowohl auf dem hier oberen Federelement 2 als auch auf dem hier unteren Federelement 2 sind jeweils mehrere Piezoelemente 6 aufgebracht, die ebenso wie die Magnetspule 4 über nicht dargestellte Steuerleitungen und angesteuert von einer elektronischen Steuereiheit gezielt mit elektrischer Energie versorgt werden können, derart, dass die schwingfähige Tilgermasse 1 mit einer gewünschten Fequenz, die vorzugsweise gleich der weiter oben genannten scheinbaren Eigenfrequenz ist, in Schwingung versetzt wird.
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Durch die vorgeschlagene Bestückung der Federelemente 2 eines aktiven Schwingungstilgers mit Piezo-Elementen 6 wird erreicht, dass die sog. scheinbare Eigenfrequenz des Feder-Masse-Systems dieses Schwingungstilgers in gewünschter Weise, bspw. bei Einsatz in einem Kraftfahrzeug entsprechend des Fahrzeug-Anregungszustandes, situativ solchermaßen variiert werden kann, dass sich ein energieoptimaler Betriebspunkt des Schwingungstilgers einstellt. Da die Piezo-Elemente 6 zur Erzeugung der relativ kleinen benötigten Zusatzkräfte (= zusätzlichen Federkräfte) im Gegensatz zur elektromagnetischen Anregung des Feder-Masse-Systems eine weitaus niedrigere elektrische Leistung benötigen, kann mit einem erfindungsgemäßen aktiven Schwingungstilger dessen gesamter Energiebedarf über seinem Betriebsbereich gesenkt werden. Folglich sinkt auch der Energiebedarf des mit einem solchen aktiven Schwingungstilger ausgestatteten Fahrzeuges in dessen gesamten Betriebsbereich, wobei noch darauf hingewiesen sei, dass durchaus eine Vielzahl von Details abweichend von obigen Erläuterungen gestaltet sein kann, ohne den Inhalt der Patentansprüche zu verlassen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009050683 [0001]
- DE 19839464 C2 [0001, 0004, 0018]
- DE 19839464 A1 [0012]
