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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. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Schwingungstilgers. 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 vermelden lassen, nämlich durch Entkopplung von der Anregung, durch Erhöhung der Struktursteifigkeit der angeregten Struktur sowie durch Tilgung. Dabei kann zwischen passiven und aktiven Maßnahmen unterschieden werden, 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 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, nämlich vom Betrag der schwingfähigen Masse (= Gewicht) dieser Tilgermasse abhängig.
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Diese beiden letztgenannten Größen (Federsteifigkeit und Tilgermasse) sind zunächst konstant, so dass ein Schwingungstilger, auch ein aktiver Schwingungstilger, durch geeignete Auswahl des Federelements sowie der Tilgermasse auf nur eine einzelne gewünschte Eigenfrequenz hin ausgelegt werden kann. Zwar ist es an einem aktiven Schwingungstilger nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 möglich, dessen Tilgermasse in nahezu beliebige Schwingungszustände zu versetzen, indem ein Elektromagnet, der die hierfür benötigten Kräfte bereit stellt, geeignet angesteuert wird. Jedoch wird für die Darstellung solcher außerhalb der Eigenfrequenz des Schwingungstilgers liegender Schwingungszustände ein signifikant vermehrter Eintrag von elektrischer Energie in den Elektromagneten und somit in das Schwingungstilger-System benötigt. Dies geht zu Lasten des energetischen Wirkungsgrades eines aktiven Schwingungstilgers.
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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 der Elastizitätsmodul des gegebenenfalls aus mehreren Einzel-Federelementen zusammengesetzten Federelementes zumindest geringfügig veränderbar ist, indem das Federelement oder zumindest ein Einzel-Federelement hiervon in einer Formgedächtnislegierung mit der Eigenschaft der Pseudoelastizität ausgeführt ist, so dass mit gezielter Beeinflussung des Elastizitätsmodul-Wertes eine gewünschte Eigenfrequenz des Feder-Masse-Systems des Schwingungstilgers einstellbar ist.
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Ein Verfahren zum Betreiben eines aktiven am Aufbau eines Kraftfahrzeugs angeordneten Schwingungstilgers, der unter Auswertung einer zu tilgende Schwingungen erfassenden Sensorik gezielt angesteuert wird, indem eine schwingfähige Tilgermasse durch elektromagnetisch erzeugte Kräfte gegen die Kraft eines Federelements in Schwingungen versetzt wird, ist dadurch gekennzeichnet, dass der Elastizitätsmodul des gegebenenfalls aus mehreren Einzel-Federelementen zusammengesetzten Federelementes, das oder von dem zumindest ein Einzel-Federelement in einer Formgedächtnislegierung mit der Eigenschaft der Pseudoelastizität ausgeführt ist, derart gezielt beeinflusst wird, dass sich eine solche Eigenfrequenz des Feder-Masse-Systems des Schwingungstilgers einstellt, dass der Schwingungstilger im wesentlichen im Bereich seiner Eigenfrequenz schwingt.
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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) derart zu gestalten, dass der Elastizitätsmodul des (oder der) Federelemente(s) veränderbar ist. Damit lässt sich eine aktive, steuerbare Eigenfrequenzbeeinflussung des Feder-Masse-Systems des aktiven Schwingungstilgers 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. Mit dem Hooke'schen Gesetz im elastischen Bereich, das für einen Körper mit der unbelasteten Länge l0 und der Querschnittsfläche A0 unter einachsiger Zug- oder Druckbelastung das Produkt aus dem Elastizitätsmodul E und der Dehnung ε gleich dem Quotienten aus der angreifenden Kraft F und der Querschnittsfläche A0 setzt, wobei die Dehnung ε als Quotient aus der Längenänderung (= Federweg) Δs und der Länge l0 definiert ist, stellt sich die Kreiseigenfrequenz (wo) unter Verwendung des Zeichens „sqrt” für die „Quadratwurzel”, „·” für eine Multiplikation und „/” für eine Division wie folgt dar: (ω0) = sqrt(((E·A0)/l0)/m).
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Erfindungsgemäß ist der Elastizitätsmodul zumindest geringfügig veränderbar, so dass die Eigenfrequenz eines erfindungsgemäßen aktiven Schwingungstilgers gezielt zumindest geringfügig veränderbar ist bzw. im Hinblick auf einen gewünschten Wert einstellbar ist.
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Was die Veränderung des Elastizitätsmoduls des für das oder die Federelement(e) eines erfindungsgemäßen Schwingungstilgers verwendeten Materials betrifft, so ist bekannt, dass bestimmte sog. Formgedächtnislegierungen eine als „Pseudoelastizität” bezeichnete Eigenschaft aufweisen, wobei der Elastizitätsmodul eines solchen Materials durch Zufuhr oder Abfuhr von Wärme, bspw. in Form von Ohm'scher Wärme bei Anlagen einer elektrischen Spannung, veränderbar ist. Beispielsweise wurde im Rahmen eines durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft im Schwerpunktprogramm SPP 1156 Adaptronik für Werkzeugmaschinen geförderten Projektes am Fraunhofer Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik (IWU) ein auf Formgedächtnislegierungen basierendes Federelement entwickelt, welches nicht den (mittlerweile bereits allgemein bekannten) Formgedächniseffekt (= „Memory-Effekt), sondern die Veränderung des Elastizitätsmoduls von Formgedächtnislegierungen bei einer durch Wärmezufuhr oder -abfuhr hervorgerufenen Phasenumwandlung nutzt, um die Steifigkeit dieses Federelements zu verändern. Durch Beheizen dieses Federelements konnte dabei eine Steifigkeitserhöhung um ca. 80% erreicht werden.
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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 vorzugsweise der Wärmezufuhr zu dem in einer entsprechenden Formgedächtnislegierung ausgeführten Federelement, alternativ auch eine Wärmeabfuhr von diesem, ein Bestandteil der Gesamtregelung eines erfindungsgemäßen aktiven Schwingungstilgers. Insbesondere die Wärmezufuhr kann dabei besonders leicht gesteuert werden, nämlich bspw. in Form einer aus einer direkten variablen Beaufschlagung mit elektrischem Strom resultierenden Ohm'schen Erwärmung des in einer entsprechenden Formgedächtnislegierung ausgeführten Federelementes.
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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 Schwingungstilgers 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 energieoptimalen 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) muss der Elastizitätsmodul E des Federelementes um ca. 45% erhöht werden.
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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, 6 die jeweils aus zwei aufeinander Hegenden Einzel-Federelementen 2a, 2b bzw. 6a, 6b in Form von Blattfedern zusammengesetzt sind, derart eingespannt ist, dass diese Tilgermasse 1, welche einen Permanentmagneten 1a enthält, in Vertikalrichtung (Pfeilrichtung 3) oszillierend schwingen kann. Dabei ist diese schwingfähige Tilgermasse 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, 6 befestigt sind.
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Sowohl das Einzel-Federelement 2b des oberen Federelementes 2 als auch das Einzel-Federelement 6b des unteren Federelementes 6 besteht aus einer Formgedächtnislegierung, welche die Eigenschaft der sog. Pseudoelastizität besitzt. Die in der Formgedächtnislegierung ausgeführten Einzel-Federelemente 2b, 6b werden über nicht dargestellte elektrische Leitungen von einer elektronischen Steuereinheit derart gezielt mit elektrischem Strom beaufschlagt, dass in Folge der direkten Ohm'schen Erwärmung der Elastizitätsmodul des Materials dieser Einzel-Federelemente 2b, 6b gezielt verändert wird. Die genannte Ansteuerung mit elektrischem Strom erfolgt dabei solchermaßen, dass sich über den entsprechend eingestellten Elastizitätsmodul dieser Einzel-Federelemente 2b, 6b in Zusammenwirken mit den weiteren Einzel-Federelementen 2a, 6a eine Eigenfrequenz des schwingfähigen Systems ( = Tilgermasse 1 und Federelemente 2 und 6) ergibt, die im wesentlichen gleich derjenigen Frequenz ist, mit der die schwingfähige Tilgermasse 1 durch gezielte Ansteuerung der Magnetspule 4 in Schwingung versetzt wird, um eine bestimmte im Träger 5 vorliegende Schwingung zu tilgen.
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Beim Einsatz eines erfindungsgemäßen Schwingungstilgers in einem Kraftfahrzeug kann der Träger 5 an einer geeigneten Stelle der Karosserie des Fahrzeugs befestigt sein. Soll eine bestimmte Karosserie-Schwingung, die mittels einer geeigneten Sensorik erfasst wurde, getilgt werden, wird die schwingfähige Tilgermasse 1 mit der entsprechenden Frequenz durch die Magnetspule 4 zum Schwingen angeregt, d. h. in Schwingung versetzt, und es wird im wesentlichen gleichzeitig die Eigenfrequenz des Feder-Masse-Systems dieses aktiven Schwingungstilgers entsprechend des Fahrzeug-Anregungszustandes situativ solchermaßen variiert, dass sich ein energieoptimaler Betriebspunkt des Schwingungstilgers einstellt, indem die Eigenfrequenz von dessen Feder-Masse-System im wesentlichen auf den Wert der Anregungsfrequenz der Magnetspule 4 eingestellt wird. Hierfür wird die Pseudoelastizität der Einzel-Federelemente 2b, 6b solchermaßen eingestellt, dass der Schwingungstilger bzw. dessen Tigermasse 1 dann im wesentlichen im Bereich der Eigenfrequenz des Feder-Masse-Systems dieses Schwingungstilgers 1 schwingt, d. h. die Eigenfrequenz wird solchermaßen eingestellt, dass sie im wesentlichen gleich der Frequenz ist, mit der die Tilgermasse 1 durch die Magnetspule 4 in Schwingung versetzt wird.
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Zwar wird bei einem erfindungsgemäßen aktiven Schwingungstilger für die Wärmezufuhr zu oder für die Wärmeabfuhr von den Federelementen 2b, 6b ebenfalls Energie – vorliegend elektrische Energie für die für die Erzeugen der genannten Ohm'schen Wärme in den Einzel-Federelementen 2b, 6b – benötigt, jedoch ist dieser Energiebedarf geringer, als wenn ein vergleichbarer Schwingungstilger ohne erfindungsgemäß vorgesehenen Federelementen mit „Pseudoelastizität” über längere Zeit mit einer Frequenz betrieben wird, die sich wesentlich von seiner Eigenfrequenz unterscheidet. Somit kann mit einem erfindungsgemäßen aktiven Schwingungstilger dessen gesamter Energiebedarf gegenüber einem aktiven Schwingungstilger ohne Pseudoelastizität über dem gesamten Betriebsbereich gesenkt werden. Folglich sinkt auch der Energiebedarf des mit einem solchen aktiven Schwingungstilger ausgestatteten Fahrzeuges in dessen gesamten Betriebsbereich.
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Selbstverständlich können eine Vielzahl von Details abweichend von obigen Erläuterungen gestaltet sein kann, ohne den Inhalt der Patentansprüche zu verlassen; so kann beispielsweise das in der Figur obere Federelement 2 und das untere Federelement 6 jeweils nur aus einer einzigen Blattfeder bestehen, die in einer Formgedächtnislegierung mit der Eigenschaft der Pseudoelastizität ausgeführt ist, ferner kann auch nur eines der beiden Federelemente 2, 6 (zumindest anteilig) aus einer solchen Formgedächtnislegierung bestehen.
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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, 0019]
- DE 19839464 A1 [0013]
