DE102010030700A1

DE102010030700A1 - Aktiver Schwingungstilger

Info

Publication number: DE102010030700A1
Application number: DE102010030700A
Authority: DE
Inventors: Sebastian Granzow; Joerg Forsen
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2010-06-30
Filing date: 2010-06-30
Publication date: 2012-01-05
Also published as: DE102011076476A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen aktiven Schwingungstilger zur Anordnung an einer Struktur, insbesondere am Aufbau eines Kraftfahrzeugs, der vorzugsweise unter Auswertung einer zu tilgende Schwingungen der Struktur erfassenden Sensorik gezielt ansteuerbar ist, indem eine schwingfähige Tilgermasse durch elektromagnetisch erzeugte Kräfte gegen die Kraft eines Federelements in Schwingungen versetzbar ist und wobei die Federsteifigkeit des Federelements bzw. zumindest eines der ggf. mehreren Federelemente des Feder-Masse-Systems des Schwingungstilgers und damit die Eigenfrequenz des Feder-Masse-Systems des Schwingungstilgers zumindest geringfügig veränderbar ist. Dabei wird die Federsteifigkeit des Federelements solchermaßen eingestellt, dass die Eigenfrequenz des Feder-Masse-Systems des Schwingungstilgers im wesentlichen gleich der gewünschten Schwing-Frequenz der Tilgermasse ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen aktiven Schwingungstilger zur Anordnung an einer Struktur, insbesondere am Aufbau eines Kraftfahrzeugs, der vorzugsweise unter Auswertung einer zu tilgende Schwingungen der Struktur 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.
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.
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. Bei der Tilgung kann zwischen passiven und aktiven Maßnahmen unterschieden werden, wobei passive Maßnahmen den Nachteil aufweisen, dass sie nur auf einen einzelnen, nur ein äußerst schmales Frequenzband abdeckenden fahrzeugspezifischen Betriebspunkt bspw. des Fahrzeuges (als sog. Struktur) effizient ausgelegt werden können. Demgegenüber vorteilhafter ist es, aktive, adaptive Mechatroniksysteme, bspw. Tilger-Systeme vorzusehen, mit denen auf Schwingungsanregungen unterschiedlicher Frequenzen reagiert werden kann.
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.
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.
Aktive Schwingungstilger-Systeme bestehen aus einem passiven Feder-Masse-System, welches (grundsätzlich auf unterschiedliche Art und Weise, vorliegend jedoch elektromagnetisch) aktiv und steuerbar zu Schwingungen angeregt werden kann. Die größte Tilgerkraft bei minimalem Bedarf an für diese Anregung benötigter (vorliegend elektrischer) Energie wird bei 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.
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.
Bei der Verwendung eines aktiven Schwingungstilgers in einem Kraftfahrzeug muss die vom Schwingungstilger benötigte elektrische Energie vom Fahrzeug bereit gestellt werden. Damit verursachen aktive Schwingungstilger einen Teil des Gesamtenergiebedarfs des Fahrzeuges. Unter dem Gesichtspunkt der Senkung des Gesamtenergiebedarfs von Kraftfahrzeugen sollten folglich auch gegebenenfalls vorgesehene aktive Schwingungstilger hinsichtlich Wirkung und Energiebedarf optimal auslegt sein.
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 Schwingungstilgern solche breitbandigen Anregungsspektren deutlich besser getilgt werden als mit passiven Schwingungstilgern, jedoch geht mit der Tilgung von Schwingungszuständen außerhalb der Eigenfrequenz eines aktiven Schwingungstilgers ein nennenswert erhöhter Energiebedarf einher, was grundsätzlich unerwünscht ist.
Eine Abhilfemaßnahme für diese geschilderte Problematik aufzuzeigen, ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung.
Die Lösung dieser Aufgabe ist für einen aktiven Schwingungstilger nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Federsteifigkeit des Federelements bzw. zumindest eines der ggf. mehreren Federelemente des Feder-Masse-Systems des Schwingungstilgers und damit die Eigenfrequenz des Feder-Masse-Systems des Schwingungstilgers zumindest geringfügig veränderbar ist.
Ein Verfahren zum Betreiben eines aktiven am Aufbau eines Kraftfahrzeugs angeordneten Schwingungstilgers, der unter Auswertung einer zu tilgende Schwingungen hinsichtlich Frequenz und Phase erfassenden Sensorik solchermaßen angesteuert wird, dass eine schwingfähige Tilgermasse durch elektromagnetisch erzeugte Kräfte gegen die Kraft (zumindest) eines Federelements in eine gegenphasige Schwingung mit im wesentlichen gleicher Frequenz versetzt wird, ist dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest geringfügig veränderbare Federsteifigkeit des Federelements oder zumindest eines der ggf. mehreren Federelemente des Feder-Masse-Systems des Schwingungstilgers solchermaßen eingestellt wird, dass die Eigenfrequenz des Feder-Masse-Systems des Schwingungstilgers im wesentlichen gleich der gewünschten Schwing-Frequenz der Tilgermasse ist. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen eines erfindungsgemäßen Schwingungstilgers sind Inhalt der Unteransprüche.
Vorgeschlagen wird also, bei einem aktiven Schwingungstilger mit einer durch elektromagnetisch erzeugte Kräfte gegen die Kraft zumindest 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 oder falls derer mehrere vorgesehen sind, zumindest eines dieser Federelemente, beispielsweise eine Blattfeder oder im Falle mehrerer Blattfedern vorzugsweise sämtliche zur federnden Lagerung der Schwingmasse verwendeten Blattfedern, solchermaßen auszubilden, dass dessen bzw. deren Federsteifigkeit veränderbar ist. Eine solche im weiteren noch detailliert beschriebene Veränderung der Federsteifigkeit kann vorzugsweise stufenlos oder zumindest im wesentlichen stufenlos, d. h. ohne signifikante Sprünge zwischen diskreten Einzelwerten möglich sein.
Eine grundsätzlich mögliche Zuschaltung eines weiteren Federelements in Form einer Reihenschaltung oder einer Parallelschaltung zu einem ersten Federelement durch physisches Ankoppeln bzw. Abkoppeln des weiteren Federelements würde zwar ebenfalls die Federsteifigkeit des Federsystems eines (aktiven) Schwingungstilgers verändern, indem dann anstelle des ursprünglich nur ersten Federelements ein durch das erste Federelement und das weitere Federelement gebildeter Verbund von Federelementen auf die Tilgermasse einwirkte. Ein solches relativ aufwändiges Ankoppeln und Abkoppeln eines weiteren Federelements an die bzw. von der Tilgermasse ist jedoch mit der vorliegenden Umschreibung, dass die Federsteifigkeit des oder eines Federelements eines aktiven Schwingungstilgers veränderbar ist, nicht gemeint. Vielmehr ist an im weiteren noch näher erläuterte Maßnahmen gedacht, mit denen die Federsteifigkeit eines bestimmten bzw. „spezifischen” Federelements eines aktiven Schwingungstilgers nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 veränderbar ist, und zwar vorzugsweise (jedoch nicht ausschließlich oder zwangsweise) innerhalb vorgegebener Grenzwerte im wesentlich stufenlos. Dabei sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass es sich bei dem bestimmten bzw. „spezifischen” Federelement eines aktiven Schwingungstilgers, an dem eine Maßnahme zur Veränderung von dessen Federsteifigkeit vorgesehen ist, keineswegs um das einzige Federelement des aktiven Schwingungstilgers handeln muss. Vielmehr können, wie in den an späterer Stelle erläuterten Ausführungsbeispielen gezeigt ist, zwei zueinander entgegengesetzt wirkende Federelemente vorgesehen sein, von denen jedes oder auch nur eines erfindungsgemäß gestaltet ist. Es kann aber auch ein Federelement aus mehreren gleichartig und gleichgerichtet wirkenden Federelementen zusammengesetzt sein, von denen beispielsweise nur ein einziges erfindungsgemäß gestaltet ist. Wesentlich ist nur, dass die Federsteifigkeit eines bestimmten Federelements durch eine geeignete Maßnahme, von denen im weiteren mehrere Möglichkeiten beschrieben sind, veränderbar ist.
Dass mit einer Änderung der Federsteifigkeit (auch Federkonstante oder Federrate genannt) eines Federelements eines aktiven Schwingungstilgers nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 eine aktive, steuerbare scheinbare Eigenfrequenz-Beeinflussung des Feder-Masse-Systems des aktiven Tilgers möglich ist, ergibt sich aus der bekannten Formel zur Bestimmung der Kreiseigenfrequenz (ω₀) eines Feder-Masse-Schwingers, die unter Vernachlässigung der Materialdämpfung als Quadratwurzel des Quotienten aus der Federsteifigkeit (c) des oder der Federelemente(s) und der Masse (m) der schwingfähigen Masse (= Tilgermasse) des Feder-Masse-Schwingers definiert ist. 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 (F_Feder) und des Federwegs (Δs) definiert. Mit dem Hooke'schen Gesetz im elastischen Bereich, das für einen Körper mit der unbelasteten und vorliegend sog. wirksamen Federlänge (I₀) 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 wirksamen Federlänge (I₀) definiert ist, stellt sich die Kreiseigenfrequenz (ω₀) unter Verwendung des Zeichens „sqrt” für die „Quadratwurzel”, „⊗” für eine Multiplikation und „/” für eine Division wie folgt dar: (ω₀) = sqrt(((E ⊗ A₀)/I₀)/m).
Nach einer möglichen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die sog. wirksame Federlänge (I₀) des oder zumindest eines Federelementes eines erfindungsgemäßen Schwingungstilgers zumindest geringfügig veränderbar, wobei sich mit geänderter wirksamer Federlänge (I₀) eine geänderte Federsteifigkeit des Federelements einstellt und folglich die Eigenfrequenz eines solchen aktiven Schwingungstilgers mit veränderbarer wirksamer Federlänge (I₀) zumindest geringfügig gezielt veränderbar ist. Die wirksame Federlänge (I₀) eines Federelementes ist dabei die Abmessung derjenigen räumlichen Erstreckung des Federelements, in welcher quasi die federnde Eigenschaft des Federelementes enthalten ist bzw. in der die mit einem Einfedern oder Ausfedern einhergehende elastische Verformung des Federelements erfolgt. Im Falle einer Blattfeder oder eines Torsionsfederstabes ist deren oder dessen wirksame Federlänge die Distanz zwischen den beiden sog. Abstützpunkten des jeweiligen Federelementes, das in üblicher Weise an zwei relativ zueinander verlagerbaren Punkten abgestützt ist. Es ist offensichtlich, dass eine Verkürzung der sog. wirksamen Federlänge (I₀) die Federsteifigkeit eines solchen Federelementes verändert, und zwar erhöht.
Was die Veränderung der sog. wirksamen Federlänge betrifft, so kann bei Ausbildung des Federelements als Blattfeder ein sog. Stützelement, welches letztlich, d. h. direkt oder über einen sog. Träger eines erfindungsgemäßen aktiven Schwingungstilgers indirekt, an der genannten Struktur (im Anwendungsfall an einem Kraftfahrzeug an dessen Karosserie-Aufbau) abgestützt ist und an der bzw. an dem sich auch die Blattfeder abstützt, in Längsrichtung der Blattfeder verlagerbar sein. Wenn dieses Stützelement, das auch die alleinige Abstützung der Blattfeder gegenüber dem genannten Träger (oder der besagten Struktur) übernehmen kann, jedoch nicht muss, näher am Abstützpunkt der Blattfeder an der schwingfähigen Tilgermasse liegt, so ist naturgemäß die wirksame Federlänge (I₀) der Blattfeder geringer als wenn das Stützelement weiter vom genannten Abstützpunkt der Blattfeder an der Tilgermasse entfernt ist. Zur Verlagerung des genannten Stützelementes kann dabei ein beliebiger Aktor vorgesehen sein, der bspw. in Form eines Elektromotors mit einem geeigneten Getriebe ausgebildet sein kann, alternativ jedoch bspw. auch in Form eines den sog. Memory-Effekt einer Formgedächtnislegierung nutzenden Aktors ausgebildet sein, wie in einem der beiden an späterer Stelle noch erläutertem Ausführungsbeispiele gezeigt ist. Dabei sie darauf hingewiesen, dass eine solche Veränderung der wirksamen Federlänge auch an einem anders als in Form einer Blattfeder ausgebildeten Federelement realisiert sein kann. Ferner ist es möglich, das genannte Stützelement in Form eines Nockens oder dgl. auszubilden, der auf der Blattfeder in deren Längsrichtung betrachtet abwälzbar ist, wobei sich der Abstützpunkt des Nockens auf der Blattfeder verlagert.
Unter den Begriff der Veränderung der wirksamen Federlänge eines Blattfederelements wird auch eine weitere Ausführungsform subsummiert, bei der auf die Blattfeder im Bereich zwischen ihren direkten oder indirekten Abstützpunkten am Träger bzw. an der Struktur einerseits und an der Tilgermasse andererseits ein letztlich an der genannten Struktur (vorzugsweise unter Zwischenschaltung des genannten Trägers) abgestützter Aktor mit einer im wesentlichen in Schwingrichtung der Tilgermasse orientierten und hinsichtlich ihres Betrags veränderbaren Kraft einwirkt. Auch hier kann der Aktor den Memory-Effekt einer Formgedächtnislegierung nutzen, indem er durch ein mit einem sog. Aktor-Federelement zusammenwirkendes Zugelement gebildet ist, wobei das Zugelement und/oder das Aktor-Federelement (in diesem Falle ist kein eigenständiges Zugelement erforderlich) aus einer Formgedächtnislegierung besteht und dessen Länge über den sog. Memory-Effekt veränderbar ist (vgl. eines der Ausführungsbeispiele).
Unter den Begriff der Veränderung der wirksamen Federlänge wird auch die Veränderung der wirksamen Torsionslänge eines Torsionsfederstabes subsummiert, welche bei geeigneter Gestaltung und insbesondere unter Zwischenschaltung eines geeigneten Getriebes auch als Federelement eines erfindungsgemäßen aktiven Schwingungstilgers zum Einsatz kommen kann. Ähnlich wie für eine Blattfeder vorgeschlagen, kann die wirksame Torsionslänge eines Torsionsfederstabes mittels eines verlagerbaren Stützelements verändert werden, was dann eine Veränderung der Federsteifigkeit dieses Torsionsfederstabes bewirkt. Ebenso wie für eine Blattfeder als Federelement vorgeschlagen, kann im übrigen auch an einem Torsionsfederstab im Bereich zwischen ihren direkten oder indirekten Abstützpunkten am genannten Träger bzw. an der besagten Struktur einerseits und an der Tilgermasse andererseits ein am Träger bzw. an der Struktur abgestützter Aktor mit einem der Torsion entgegen gerichteten oder gleichgerichteten Moment, dessen Betrag veränderbar ist, einwirken.
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 eines Aktors, der die Veränderung der Federsteifigkeit des (oder der) Federelemente(s) bewirkt, beispielsweise durch eine beschriebene Veränderung der wirksamen Federlänge des bzw. zumindest eines Federelementes des Feder-Masse-Systems eines aktiven Schwingungstilgers, ein Bestandteil der Gesamtregelung eines erfindungsgemäßen aktiven Schwingungstilgers.
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 (f₀) 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 besitze das Feder-Masse-System eines erfindungsgemäßen Schwingungstilgers 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 die wirksame Federlänge (I₀) für den Fall, dass nur ein einziges Federelement vorgesehen ist, auf ca. 69% der ursprünglichen Länge (mit f₀ = 17 Hz) verkürzt werden. Greifen an beiden Enden der Tilgermasse in Schwingrichtung betrachtet Federelemente an, so wie dies in den im folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen dargestellt ist, so ist zur Erzielung der gleichen Wirkung bei jedem dieser Federelemente die Länge auf 88% der ursprünglichen Länge zu verkürzen, wie sich berechnen lässt.
Im folgenden werden drei lediglich prinzipiell dargestellte Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen aktiven Schwingungstilgers, die hinsichtlich ihres grundsätzlichen Aufbaus dem in der eingangs genannten DE 198 39 464 C2 gezeigten elektrodynamischen Aktuator mit schwingendem Feder-Masse-System ähnlich sind, beschrieben, wobei zum Ausführungsbeispiel nach 3a, in der ebenso wie für die Ausführungsbeispiele nach den 1, 2 ein Prinzip-Schnitt dargestellt ist, in einer weiteren 3b dessen Wirkprinzip erläuternd dargestellt ist.
In den Ausführungsbeispielen sind gleiche Elemente mit den gleichen Bezugsziffern gekennzeichnet. So ist mit der Bezugsziffer 1 eine schwingfähige Masse (= Tilgermasse) gekennzeichnet, die zwischen zwei Federelementen 2 in Form von Blattfedern (hierfür wird ebenfalls die Bezugsziffer 2 verwendet) derart eingespannt ist, dass diese Tilgermasse 1, welche auch eine Elektromagnet-Spule 1a trägt, in Vertikalrichtung (Pfeilrichtung 3) oszillierend schwingen kann. Die Tilgermasse 1 (mit der Elektromagnet-Spule 1a) bildet somit zusammen mit den Federelementen 2 das sog. schwingfähige Feder-Masse-System des gezeigten aktiven Schwingungstilgers.
Es ist die schwingfähige Tilgermasse 1 (inklusive der Elektromagnet-Spule 1a) vorliegend konzentrisch von einem Permanentmagnet-Mantel 4 umhüllt, dessen Achse in Pfeilrichtung 3 liegt. Der Permanentmagnet-Mantel 4 wird von einem Träger 5 getragen, an welchem vorliegend auch die Federelemente 2 befestigt sind. Der Träger 5 ist an einer geeigneten Stelle einer nicht dargestellten Struktur, beispielsweise an einem Aufbau eines Personenkraftwagens, befestigt, deren bzw. dessen mittels einer Sensorik hinsichtlich Frequenz und Phase erfasste Schwingungen mit dem aktiven Schwingungstilger getilgt werden sollen. Hierfür wird die Elektromagnet-Spule 1a von einer nicht dargestellten elektronischen Steuereinheit solchermaßen angesteuert und magnetisch erregt, dass die schwingfähige Tilgermasse 1 durch diese elektromagnetisch erzeugten Kräfte in Zusammenwirken mit den Magnetkräften des Permanentmagnet-Mantels 4 gegen die Kraft der Federelemente 2 in eine zur zu tilgenden Schwingung der Struktur gegenphasige Schwingung mit im wesentlichen gleicher Frequenz (= „Schwing-Frequenz”) versetzt wird. Im wesentlichen gleichzeitig steuert diese genannte Steuereinheit einen Aktor 7 solchermaßen an, dass mittels dieses Aktors 7 die sog. wirksame und veränderbare Federlänge I₀ des Federelementes 2 – in den vorliegenden Ausführungsbeispielen ist jedem Federelement 2 ein eigener Aktor 7 zugeordnet – solchermaßen eingestellt wird, dass sich mit der hieraus resultierenden veränderbaren Federsteifigkeit des Federelementes 2 eine Eigenfrequenz des schwingfähigen Feder-Masse-Systems des aktiven Schwingungstilgers ergibt, die im wesentlichen gleich dessen Schwing-Frequenz ist. Auf diese Weise kann der aktive Schwingungstilger in einem hinsichtlich seines Energiebedarfs optimierten Betriebspunkt betrieben werden, wie weiter oben erläutert wurde. Die der Elektromagnet-Spule 1a zur Erzeugung dieser Schwingung der Tilgermasse 1 zuzuführende elektrische Energie wird nämlich auf diese Weise minimiert.
Nun auf das Ausführungsbeispiel nach 1 Bezug nehmend wirkt der Aktor 7 mit einem sog. Stützelement 9 zusammen, an welchem das Federelement 2 in Bewegungsrichtung 3 der Tilgermasse 1 (= Pfeilrichtung 3) betrachtet abgestützt ist, so dass jede Bewegung des Federelementes 2 gemäß Pfeilrichtung 3 gegenüber diesem Stützelement 9 ausgeschlossen ist. Beispielsweise kann dieses Stützelement 9 die Form einer Hülse oder eines Auflagers besitzen, die bzw. das das als Blattfeder – hierfür wird ebenfalls die Bezugsziffer 2 verwendet – ausgebildate Federelement 2 im Querschnitt und über eine nur geringe Länge der Blattfeder 2 umhüllt. In Längsrichtung der Blattfeder 2 besitzt das Stützelement 9 einen Bewegungs-Freiheitsgrad gegenüber der Blattfeder 2, so dass dieses Stützelement 9, welches seinerseits auf nicht dargestellte Weise geeignet am Träger 5 abgestützt ist, gemäß Pfeilrichtung 6 und damit in Längsrichtung der Blattfeder 2 verlagerbar ist, und zwar unter Einwirkung eines bzw. des Aktors 7. Beispielsweise kann das Stützelement 9 auch in Form einer teleskopierbaren Hülse ausgebildet sein, die mit ihrem freien Endabschnitt die Blattfeder 2 umhüllt und mit ihrem anderen Endabschnitt am Träger 5 befestigt ist. Mit einer solchen oder einer anderen, funktional jedoch vergleichbaren Ausgestaltung ist der Abstützpunkt der Blattfeder 2 am Träger 5 (und somit auch an der genannten Struktur) in Längsrichtung der Blattfeder 2 betrachtet verlagerbar. Damit ist (auch) die sog. wirksame Federlänge I₀ der Blattfeder 2, die sich zwischen dem verlagerbaren Abstützpunkt der Blattfeder 2 am Stützelement 9 und dem Abstützpunkt der Blattfeder 2 an der Tilgermasse 1 erstreckt, veränderbar.
Der das Stützelement 9 wie beschrieben verlagernde Aktor 7 ist bei diesem Ausführungsbeispiel nach 1 durch einen mittels einer Zugfeder 7b gespannten und aus einer Formgedächtnislegierung bestehenden Draht 7a gebildet, dessen erstes Ende ebenso wie das dem Draht 7a abgewandte Ende der Zugfeder 7b am Träger 5 an einer geeigneten Stelle befestigt ist, während dessen zweites Ende ggf. zusammen mit dem dem Träger 5 abgewandten Ende der Zugfeder 7b am Stützelement 9 befestigt ist. Mittels einer nicht separat dargestellten elektrischen Widerstandsheizung, die vorzugsweise durch den Draht 7a selbst gebildet sein kann, kann der Draht 7a erwärmt werden. Als Folge einer solchen Erwärmung verkürzt sich aufgrund des bekannten sog. Memory-Effektes einer Formgedächtnislegierung dieser Draht 7a, wodurch das Stützelement 9 gemäß Pfeilrichtung 6 in 1 nach rechts verlagert wird, was eine Verkürzung der wirksamen Federlänge I₀ der Blattfeder 2 zur Folge hat. Sobald sich der Draht 7a nach einer Beendigung der Wärmezufuhr abgekühlt hat, nimmt der Draht 7a wieder seine ursprüngliche Länge ein, woraufhin das Stützelement unter Einwirkung der Zugfeder 7b wieder in die ursprüngliche, figürlich dargestellte Position verlagert wird.
Beim Ausführungsbeispiel nach 2 ist das Stützelement 9 für die Blattfeder 2 durch einen mittels eines auf dieser abwälzbaren und damit einen in Längsrichtung der Blattfeder 2 verlagerbaren Abstützpunkt P darstellenden Nocken 9 oder dgl. gebildet, der hierzu mittels eines hier nicht gezeigten Aktors um seine Drehachse 9* verdrehbar ist. Mit einer Verschwenkbewegung des Nockens 9 um seine Drehachse 9*, die auf ebenfalls nicht gezeigte Weise durch den Träger 5 festgelegt ist, bewegt sich offensichtlich der Abstützpunkt P um ein gewisses Maß längs der Blattfeder 2.
Beim Ausführungsbeispiel nach 3, genauer nach 3a wirkt auf die bzw. hier jede Blattfeder 2 im Bereich zwischen ihren Abstützpunkten am Träger 5 einerseits und an der Tilgermasse 1 andererseits ein ebenfalls am Träger 5 an einer geeigneten Stelle (ebenfalls am Träger 5) abgestützter Aktor 7 mit einer im wesentlichen in Schwingrichtung der Tilgermasse 1 orientierten und hinsichtlich ihres Betrags veränderbaren Kraft ein. Auch der hier gezeigte Aktor 7 nutzt den Memory-Effekt einer Formgedächtnislegierung, indem er durch ein mit einem sog. Aktor-Federelement 7a zusammenwirkendes Zugelement 7b gebildet ist, das aus einer Formgedächtnislegierung besteht und dessen Länge über den sog. Memory-Effekt veränderbar ist. Vorliegend ist dabei beispielhaft das Zugelement 7b solchermaßen über eine Umlenkrolle 7c geführt, dass die über dieses Zugelement 7b übertragene Kraft des Aktor-Federelements 7a im wesentlichen in Schwingrichtung 3 der Tilgermasse 1 betrachtet auf die Blattfeder 2 des aktiven Schwingungstilgers einwirkt. indem dabei die Länge des Zugelements 7b wie im Ausführungsbeispiel nach 1 für den dortigen Draht 7a beschrieben veränderbar ist, ist die auf die Blattfeder 2 einwirkende Kraft des Aktor-Federelements 7a veränderbar.
Wie sich mit einer solchen veränderbaren auf die Blattfeder 2 einwirkenden Kraft die wirksame Federlänge I₀ eines Federelements 2 bzw. der Blattfeder 2 verändern lässt, ist in 3b dargestellt. Dargestellt ist dabei lediglich die Blattfeder 2 mit den an dieser angreifenden Kräften F₁ und F₂, wobei F₁ die ohne Einwirkung von F₂ zwischen der Blattfeder 2 und der Tilgermasse 1 herrschende Kraft darstellt, während F₂ die vom Aktor 7 (gemäß 3a) auf die Blattfeder 2 einwirkende Kraft kennzeichnet. Der Hebelarm der Kraft F₁ bezüglich des Befestigungspunktes bzw. Abstützpunktes der Blattfeder 2 am Träger 5 ist mit I₁ gekennzeichnet, während der entsprechende Hebelarm der Kraft F₂ mit I₂ gekennzeichnet ist. Mit Anlegen der der Kraft F₁ entgegen gerichteten Kraft F₂ wirkt zwischen der Blattfeder 2 und der Tilgermasse 1 nur noch die Kraft F^. (= F₁ plus F₂ bzw. im vorliegenden Fall: = Betrag von F₁ minus Betrag von F₂) mit dem Hebelarm I^., der sich wie in der Formel in 2b angegeben berechnet und der der wirksamen Federlänge gemäß vorliegender Beschreibung bzw. obiger Terminologie entspricht.
Zwar wird bei einem erfindungsgemäßen aktiven Schwingungstilger – sei es in Ausführung nach einem der Ausführungsbeispiele oder in einer anderen Form – für die Betätigung des Aktors 7 ebenfalls Energie – vorzugsweise elektrische Energie – benötigt, jedoch ist dieser Energiebedarf geringer, als wenn ein vergleichbarer aktiver Schwingungstilger 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 Beeinflussungsmöglichkeit seiner Eigenfrequenz über dem gesamten Betriebsbereich gesenkt werden. Folglich sinkt auch der Energiebedarf des mit einem solchen erfindungsgemäßen aktiven Schwingungstilger ausgestatteten Fahrzeuges in dessen gesamten Betriebsbereich.
Im vorliegenden Patentanspruch wird von gegebenenfalls mehreren Federelementen des sog. Feder-Masse-Systems des Schwingungstilgers gesprochen. In diesem Sinne können die beiden Federelemente 2 des vorliegenden Ausführungsbeispiels als solche mehrere Federelemente betrachtet werden. Es ist jedoch auch möglich, dass nur eines oder jedes der im Ausführungsbeispiel dargestellten Federelemente 2 seinerseits aus mehreren Einzel-Federelementen zusammengesetzt ist, wobei diese Zusammensetzung nicht baulich sein muss, sondern lediglich funktional sein, d. h. hinsichtlich der Funktion wirken kann. Dabei kann auch nur an einem der Einzel-Federelemente die Federsteifigkeit veränderbar sein, wie überhaupt eine Vielzahl von Details abweichend von obigen Erläuterungen gestaltet sein kann, ohne den Inhalt der Patentansprüche zu verlassen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102009050683 [0001]
DE 19839464 C2 [0001, 0004, 0023]
DE 19839464 A1 [0013]

Claims

Aktiver Schwingungstilger zur Anordnung an einer Struktur, insbesondere am Aufbau eines Kraftfahrzeugs, der vorzugsweise unter Auswertung einer zu tilgende Schwingungen der Struktur erfassenden Sensorik gezielt ansteuerbar ist, indem eine schwingfähige Tilgermasse (1) durch elektromagnetisch erzeugte Kräfte gegen die Kraft eines Federelements (2) in Schwingungen versetzbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Federsteifigkeit des Federelements (2) bzw. zumindest eines der ggf. mehreren Federelemente (2) des Feder-Masse-Systems des Schwingungstilgers und damit die Eigenfrequenz des Feder-Masse-Systems des Schwingungstilgers zumindest geringfügig veränderbar ist.
Aktiver Schwingungstilger nach Anspruch 1 mit einer Blattfeder (2) oder eines Torsionsfederstabs als Federelement (2), dadurch gekennzeichnet, dass die wirksame Federlänge der Blattfeder (2) oder die wirksame Torsionslänge des Torsionsfederstabs zumindest geringfügig veränderbar ist.
Aktiver Schwingungstilger nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein an der genannten Struktur direkt oder indirekt abgestütztes Stützelement (9) für die Blattfeder (2) oder das Federelement (2) mittels eines Aktors (7) in Längsrichtung der Blattfeder (2) oder des Federelements (2) verlagerbar ist.
Aktiver Schwingungstilger nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Blattfeder (2) im Bereich zwischen ihren direkten oder indirekten Abstützpunkten an der Struktur und an der Tilgermasse (1) ein an der genannten Struktur abgestützter Aktor (7) mit einer im wesentlichen in Schwingrichtung (3) der Tilgermasse (1) orientierten und hinsichtlich ihres Betrags veränderbaren Kraft einwirkt.
Aktiver Schwingungstilger nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor (7) durch ein mit einem sog. Aktor-Federelement (7a) zusammenwirkendes Zugelement (7b) gebildet ist, wobei das Zugelement und/oder das Aktor-Federelement (7a) aus einer Formgedächtnislegierung besteht und dessen Länge über den sog. Memory-Effekt veränderbar ist.
Aktiver Schwingungstilger nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein an der genannten Struktur direkt oder indirekt abgestütztes Stützelement (9) für die Blattfeder (2) durch einen auf dieser abwälzbaren und damit einen verlagerbaren Abstützpunkt darstellenden Nocken (9') oder dgl. gebildet ist.
Verfahren zum Betreiben eines am Aufbau eines Kraftfahrzeugs angeordneten aktiven Schwingungstilgers, der unter Auswertung einer zu tilgende Schwingungen hinsichtlich Frequenz und Phase erfassenden Sensorik solchermaßen angesteuert wird, dass eine schwingfähige Tilgermasse (1) durch elektromagnetisch erzeugte Kräfte gegen die Kraft zumindest eines Federelements (2) in eine gegenphasige Schwingung mit im wesentlichen gleicher Frequenz versetzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest geringfügig veränderbare Federsteifigkeit des Federelements (2) oder zumindest eines der ggf. mehreren Federelemente (2) des Feder-Masse-Systems des Schwingungstilgers solchermaßen eingestellt wird, dass die Eigenfrequenz des Feder-Masse-Systems des Schwingungstilgers im wesentlichen gleich der gewünschten Schwing-Frequenz der Tilgermasse ist.